Wybór wzmacniacza transimpedancyjnego i jego zastosowania

Gotowy do przekształcenia prądu na napięcie? Będziesz potrzebować wzmacniacza transimpedancyjnego.

Każdy, kto to czyta, prawdopodobnie pamięta słuchanie o wzmacniaczach operacyjnych na zajęciach z elektroniki 101, ale ich znaczenie nie zawsze staje się oczywiste, dopóki nie zacznie się ich używać w różnych aplikacjach. Istnieje wiele różnych implementacji wzmacniaczy operacyjnych, z których każda ma swoją własną specjalną nazwę. W szczególności, konwersja prądu na napięcie może wydawać się tak prosta, jak wymaganie użycia rezystora i prawa Ohma. Jednak rzeczywistość jest nieco bardziej skomplikowana niż użycie rezystora równolegle z obciążeniem.

Wzmacniacze transimpedancyjne zapewniają dokładnie tę funkcjonalność, co umożliwia odczyt prądu z urządzenia takiego jak fotodioda czy transceiver jako napięcie, które następnie może być przekształcone na sygnał cyfrowy. Chociaż można zrobić coś podobnego z innym typem wzmacniacza i kilkoma zewnętrznymi komponentami, można zaoszczędzić miejsce na płytce i uzyskać dostęp do niektórych innych funkcji, gdy używa się układu scalonego wzmacniacza transimpedancyjnego. Oto kilka opcji dla Twojego następnego systemu.

Co to jest wzmacniacz transimpedancyjny?

Jedna rzecz, która mnie zmyliła w moich młodszych latach, to co dokładnie różni różne wzmacniacze. Jeśli spojrzysz na schemat obwodu wzmacniacza transimpedancyjnego, wygląda on dość podobnie do obwodu wzmacniacza operacyjnego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Więc co go różni od wzmacniacza operacyjnego? Odpowiedź brzmi: można zbudować wzmacniacz transimpedancyjny z wzmacniacza operacyjnego; różnica polega na sygnale wprowadzanym do obwodu wzmacniacza i sposobie działania sprzężenia zwrotnego w obwodzie.

Zamiast przechodzić przez całą teorię związaną z wzmacniaczami transimpedancyjnymi, sedno tego wszystkiego polega na tym, że można użyć wzmacniacza transimpedancyjnego do przekształcenia prądu wejściowego na napięcie. Jest to ważne w wielu aplikacjach, takich jak:

• Fotodiody i sprzęt optyczny: Te komponenty wytwarzają prąd, ale musi on być przekształcony na sygnał cyfrowy za pomocą przetwornika ADC. Etap wzmacniacza transimpedancyjnego przekształca ten prąd na napięcie przed wprowadzeniem do ADC. Jednym z nadchodzących obszarów jest systemy lidar dla pojazdów autonomicznych.

• Czujniki analogowe o niskim poborze mocy: Sygnały z przetworników ciśnienia, akcelerometrów i innych komponentów wytwarzających prąd mogą być przekształcone na napięcie i wprowadzone do ADC.

• Sprzęt RF: Aplikacje telekomunikacyjne i naukowe wykorzystują wzmacniacze transimpedancyjne pracujące na częstotliwościach mikrofalowych.

Ten schemat obwodu pokazuje typowe połączenie wzmacniacza operacyjnego używane do budowy niekompensowanego wzmacniacza transimpedancyjnego.

Jeśli projektujesz urządzenie dla jednej z tych aplikacji, możesz zdecydować się na użycie układu wzmacniacza transimpedancyjnego zamiast wybierania układu operacyjnego i konfigurowania go jako wzmacniacz transimpedancyjny. Te układy są zoptymalizowane pod kątem konkretnych zastosowań i zawierają inne funkcje, które mogą być trudne do zaprojektowania przy użyciu dyskretnych komponentów.

Ważne specyfikacje

Niektóre ważne specyfikacje wzmacniacza transimpedancyjnego to:

• Impedancja transferu. Jest to równoważne wzmocnieniu wzmacniacza. Impedancja transferu pomnożona przez prąd wejściowy daje napięcie wyjściowe.

• Pasmo transimpedancyjne. Wszystkie wzmacniacze transimpedancyjne mają funkcje przenoszenia dolnoprzepustowego podczas pracy w zakresie liniowym. Wiele praktycznych zastosowań dotyczy prądów cyfrowych lub impulsowych, a pasmo impulsu nie powinno przekraczać pasma wejściowego wzmacniacza. Ta specyfikacja ma to samo znaczenie co pasmo jednostkowego wzmocnienia, czyli zwiększenie pasma wymaga zmniejszenia wzmocnienia.

• Zakres liniowy. Jak każdy inny wzmacniacz operacyjny, wzmacniacz transimpedancyjny IC może się nasycić, gdy sygnał wejściowy jest bardzo duży. Zakres może być określony jako górny limit lub jako dolny limit oraz pewien zakres dynamiczny w dB.

• Kompensacja. Jest to ważne w komponentach używanych do wykrywania fotodiod lub jakiegokolwiek innego komponentu z pojemnością pasożytniczą. Z powodu pojemności pasożytniczej w modelu obwodu fotodiody, w funkcji przenoszenia wzmacniacza transimpedancyjnego może pojawić się rezonans. Można to zobaczyć na wykresie wzmocnienia vs. częstotliwość wejściowa, gdzie różne krzywe pojawią się dla różnych wartości pojemności pasożytniczej komponentu źródłowego. Wzmacniacz z wewnętrzną kompensacją pozwala na użycie komponentu źródłowego z wyższą pojemnością pasożytniczą.

• Odnośny szum prądowy RMS. Informuje o gęstości widmowej mocy szumu RMS (w terminach prądowych) w zamkniętej pętli. Będzie to funkcja wzmocnienia w pętli sprzężenia zwrotnego. Komponenty wysokiej jakości będą miały ~1-10 pA/√Hz RMS szumu prądowego, co przekłada się na 1-10 mV szumu na sygnale wyjściowym dla pasma 100 MHz przy wzmocnieniu 10,000.

Maxim Integrated, MAX40662

Wzmacniacz transimpedancyjny MAX40662 od Maxim Integrated to urządzenie czterokanałowe zaprojektowane do pomiarów odległości optycznych w odbiornikach lidarowych i pokrewnych zastosowaniach związanych z impulsami prądowymi. Impedancja transferu w tym komponencie jest wybieralna (25 i 50 kOhm) z bardzo niskim szumem (2,1 pA/√Hz gęstości widmowej mocy), co czyni ten komponent idealnym do szybkich pomiarów prądów impulsowych z niskim jitterem. Zawiera również wewnętrzny multiplekser, a pasmo oceniane jest na do 440 MHz, co z łatwością obsłuży impulsy prądowe 10 ns.

Obwód aplikacyjny wzmacniacza transimpedancyjnego MAX40662. Z karty katalogowej MAX40662.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

LMH32401IRGTT od Texas Instruments jest idealny do pracy w hałaśliwych środowiskach dzięki swojemu wyjściu różnicowemu. Wzmocnienie wyjściowe ma 2 ustawienia, jednocześnie zapewniając wysoki produkt pasma przenoszenia (oceniany na do 275 MHz przy 20 kOhm lub 450 MHz przy 2 kOhm). Idealne zastosowania tego komponentu to wizja komputerowa, mechanicznie skanowany lidar, pomiary pozycji czasu przelotu oraz pokrewne aplikacje wykorzystujące impulsowe źródła prądu.

W aplikacjach pomiarowych elektrooptycznych ten wzmacniacz transimpedancyjny zawiera zintegrowany obwód anulowania światła otoczenia oraz obwód zacisku prądowego 100 mA do tłumienia przekłóceń. Przy wyższym ustawieniu wzmocnienia ten komponent może wykrywać impulsy prądowe tak krótkie jak 800 ps. Szum wejściowy jest również odniesiony do 49 nA RMS przy pełnym paśmie, zapewniając szeroki zakres dynamiki dla pomiarów prądowych.

Schemat blokowy i pasmo transimpedancji przy każdym ustawieniu wzmocnienia. Z karty katalogowej LMH32401.

Analog Devices, HMC799LP3E

Wzmacniacz transimpedancyjny HMC799LP3E od Analog Devices jest przeznaczony do aplikacji RF, takich jak konwersja IF-na-HF. Impedancja transferu 10 kOhm z pasmem 700 MHz jest dostępna przy wysokim zakresie dynamiki 65 dB. Wyjście jest wewnętrznie dopasowane do impedancji 50 Ohm, co czyni ten komponent kompatybilnym z innymi komponentami znajdującymi się w typowych systemach RF.

Schemat funkcjonalny wzmacniacza transimpedancyjnego HMC799LP3E i impedancja transferu. Z karty katalogowej HMC799LP3E.

To tylko niektóre z opcji komponentów, które znajdziesz na rynku, a wiele innych jest specjalizowanych do funkcji poza elektrooptyką. Chociaż powyższe komponenty zostały wprowadzone na rynek do zastosowań elektrooptycznych, mogą być używane z różnymi innymi czujnikami analogowymi.

Niezależnie od tego, czy potrzebujesz wzmacniacza transimpedancyjnego, czy innego wzmacniacza o specjalnym przeznaczeniu, możesz znaleźć dokładnie te komponenty, których potrzebujesz, korzystając z zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Będziesz miał dostęp do obszernej wyszukiwarki z danymi dystrybutorów i specyfikacjami części, wszystko to dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z liniowymi układami scalonymi, aby znaleźć komponenty potrzebne do akwizycji sygnału, wzmacniania i filtrowania.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.