Seleção e Aplicações de Amplificadores de Transimpedância

Pronto para converter corrente em tensão? Você precisará de um amplificador de transimpedância.

Todos que estão lendo isso provavelmente se lembram de ouvir sobre amplificadores operacionais nas suas aulas de eletrônica básica, mas a importância deles nem sempre se torna óbvia até que você comece a usá-los para várias aplicações. Existem várias implementações diferentes para amplificadores operacionais, cada uma das quais recebe seu próprio nome especial. Em particular, a conversão de corrente para tensão pode parecer tão simples quanto requerer o uso de um resistor e a lei de Ohm. No entanto, a realidade é um pouco mais complexa do que usar um resistor em paralelo com uma carga.

Os amplificadores de transimpedância fornecem exatamente essa funcionalidade, o que torna possível ler uma corrente de um dispositivo como um fotodiodo ou um transceptor como uma tensão, que pode então ser convertida em um sinal digital. Embora você possa fazer algo semelhante com outro tipo de amplificador e alguns componentes externos, você pode economizar espaço na sua placa e ter acesso a algumas outras funcionalidades quando usa um CI de amplificador de transimpedância. Aqui estão algumas opções para o seu próximo sistema.

O que é um Amplificador de Transimpedância?

Uma coisa que me confundiu nos meus anos de juventude foi o que exatamente faz vários amplificadores serem diferentes. Se você olhar um diagrama de circuito para um amplificador de transimpedância, ele parece bastante semelhante a um circuito de amplificador operacional com feedback negativo. Então, o que o torna diferente de um amplificador operacional? A resposta é: você pode construir um amplificador de transimpedância a partir de um amplificador operacional; a diferença está no sinal sendo alimentado no circuito do amplificador e como o feedback funciona dentro do circuito.

Em vez de passar por toda a teoria envolvida em amplificadores de transimpedância, o ponto de tudo isso é que você pode usar um amplificador de transimpedância para converter uma corrente de entrada em uma tensão. Isso é importante em muitas aplicações, como:

• Fotodiodos e equipamentos ópticos: Esses componentes emitem corrente, mas isso precisa ser convertido em um sinal digital usando um ADC. O estágio do amplificador de transimpedância converte essa corrente em uma tensão antes de ser inserida em um ADC. Uma área em ascensão está nos sistemas lidar para veículos autônomos.

• Sensores analógicos de baixa potência: Sinais de transdutores de pressão, acelerômetros e outros componentes que emitem uma corrente podem ser convertidos em uma tensão e alimentados a um ADC.

• Equipamentos de RF: Aplicações de telecomunicações e científicas fazem uso de amplificadores de transimpedância operando em frequências de micro-ondas.

Este diagrama de circuito mostra a conexão típica de op-amp usada para construir um amplificador de transimpedância não compensado.

Se você está projetando para uma dessas aplicações, você pode optar por um circuito integrado (CI) de amplificador de transimpedância, em vez de escolher um CI de amplificador operacional e configurá-lo como um amplificador de transimpedância. Esses CIs são otimizados para aplicações específicas e incluem outras características que podem ser difíceis de projetar com componentes discretos.

Especificações Importantes

Algumas especificações importantes de amplificadores de transimpedância são as seguintes:

• Impedância de transferência. Isso é equivalente ao ganho do amplificador. A impedância de transferência multiplicada pela corrente de entrada dá a tensão de saída.

• Largura de banda de transimpedância. Todos os amplificadores de transimpedância têm funções de transferência de passa-baixa quando operam na faixa linear. Muitas aplicações práticas lidam com correntes digitais ou pulsadas, e a largura de banda do pulso não deve exceder a largura de banda de entrada do amplificador. Esta especificação tem o mesmo significado que largura de banda de ganho unitário, ou seja, aumentar a largura de banda requer diminuir o ganho.

• Faixa linear. Como qualquer outro amplificador operacional, um CI de amplificador de transimpedância pode saturar quando o sinal de entrada é muito grande. A faixa pode ser especificada como um limite superior ou como um limite inferior e alguma faixa dinâmica em dB.

• Compensação. Isso é importante em componentes usados para detecção de fotodiodos ou qualquer outro componente com capacitância parasita. Devido à capacitância parasita no modelo de circuito de um fotodiodo, uma ressonância pode surgir na função de transferência do amplificador de transimpedância. Isso pode ser visto em um gráfico de ganho vs. frequência de entrada, onde diferentes curvas surgirão para diferentes valores da capacitância parasita do componente fonte. Um amplificador com compensação interna permite o uso de um componente fonte com maior capacitância parasita.

• Ruído RMS de corrente referido. Isso informa a densidade espectral de potência de ruído RMS (em termos de corrente) em operação de malha fechada. Isso será uma função do ganho na malha de feedback negativo. Componentes de alta qualidade terão ~1-10 pA/√Hz de corrente RMS, o que se traduz em 1-10 mV de ruído no sinal de saída para uma largura de banda de 100 MHz com ganho de 10.000.

Maxim Integrated, MAX40662

O amplificador de transimpedância MAX40662 da Maxim Integrated é um dispositivo de quatro canais projetado para medições de distância óptica em receptores lidar e aplicações relacionadas envolvendo pulsos de corrente. A impedância de transferência neste componente é selecionável por pinos (25 e 50 kOhm) com ruído muito baixo (2.1 pA/√Hz de densidade espectral de potência), tornando este componente ideal para medições de corrente pulsada rápidas com baixo jitter. Ele também inclui um multiplexador interno, e a largura de banda é classificada em até 440 MHz, o que suportará facilmente pulsos de corrente de 10 ns.

Circuito de aplicação do amplificador de transimpedância MAX40662. Do datasheet do MAX40662.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

O LMH32401IRGTT da Texas Instruments é ideal para operação em ambientes ruidosos graças à sua saída diferencial. O ganho de saída tem 2 configurações, enquanto ainda oferece um alto produto ganho-largura de banda (classificado até 275 MHz em 20 kOhm, ou 450 MHz em 2 kOhm). As aplicações ideais para este componente incluem visão computacional, lidar mecanicamente varrido, medições de posição por tempo de voo e aplicações relacionadas envolvendo fontes de corrente pulsada.

Para aplicações de medição eletro-óptica, este amplificador de transimpedância inclui um circuito integrado de cancelamento de luz ambiente e um circuito de limitação de corrente de 100 mA para amortecer transientes. Na configuração de maior ganho, este componente pode detectar pulsos de corrente tão curtos quanto 800 ps. O ruído de entrada também é referenciado a 49 nA RMS em largura de banda total, proporcionando uma ampla faixa dinâmica para medições de corrente.

Diagrama de blocos e largura de banda de transimpedância em cada configuração de ganho. Do datasheet do LMH32401.

Analog Devices, HMC799LP3E

O amplificador de transimpedância HMC799LP3E da Analog Devices é destinado a aplicações RF como conversão de IF para HF. Uma impedância de transferência de 10 kOhm com largura de banda de 700 MHz está disponível com alta faixa dinâmica de 65 dB. A saída é internamente compatível com impedância de 50 Ohms, tornando este componente compatível com outros componentes encontrados em sistemas RF típicos.

Diagrama funcional do amplificador de transimpedância HMC799LP3E e impedância de transferência. Do datasheet do HMC799LP3E.

Estas são apenas algumas das opções de componentes que você encontrará no mercado, e muitos outros são especializados para funções fora da eletro-ótica. Embora os componentes acima tenham sido comercializados para uso em aplicações eletro-ópticas, eles podem ser usados com uma variedade de outros sensores analógicos.

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