Выбор и применение трансимпедансных усилителей

Готовы преобразовать ток в напряжение? Вам понадобится трансимпедансный усилитель.

Все, кто читает это, наверное, помнят, как на уроках электроники 101 говорили об операционных усилителях, но их важность не всегда становится очевидной, пока вы не начнете использовать их в различных приложениях. Существует множество различных реализаций для операционных усилителей, каждая из которых имеет свое специальное название. В частности, преобразование тока в напряжение может показаться таким же простым, как использование резистора и закона Ома. Однако на деле это немного сложнее, чем использование резистора параллельно с нагрузкой.

Трансимпедансные усилители обеспечивают именно такую функциональность, что позволяет считывать ток от устройства, такого как фотодиод или передатчик, как напряжение, которое затем может быть преобразовано в цифровой сигнал. Хотя вы могли бы сделать что-то подобное с другим типом усилителя и некоторыми внешними компонентами, вы можете сэкономить место на своей плате и получить доступ к некоторым другим функциям, когда используете микросхему трансимпедансного усилителя. Вот некоторые варианты для вашей следующей системы.

Что такое трансимпедансный усилитель?

То, что сбивало меня с толку в мои молодые годы, это что именно делает различные усилители разными. Если вы посмотрите на схему трансимпедансного усилителя, она выглядит довольно похожей на схему операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Так в чем же разница с операционным усилителем? Ответ: вы можете построить трансимпедансный усилитель из операционного усилителя; разница в сигнале, подаваемом на усилитель, и в том, как работает обратная связь в схеме.

Вместо того чтобы глубоко погружаться в теорию трансимпедансных усилителей, суть всего этого в том, что вы можете использовать трансимпедансный усилитель для преобразования входного тока в напряжение. Это важно во многих приложениях, таких как:

• Фотодиоды и оптическое оборудование: Эти компоненты выдают ток, но его нужно преобразовать в цифровой сигнал с помощью АЦП. Стадия трансимпедансного усилителя преобразует этот ток в напряжение перед подачей на АЦП. Одна из перспективных областей - это системы лидар для автономных транспортных средств.

• Аналоговые датчики с низким потреблением: Сигналы от датчиков давления, акселерометров и других компонентов, выдающих ток, могут быть преобразованы в напряжение и поданы на АЦП.

• Радиочастотное оборудование: Телекоммуникационные и научные приложения используют трансимпедансные усилители, работающие на микроволновых частотах.

Эта схема показывает типичное подключение операционного усилителя, используемое для создания некомпенсированного трансимпедансного усилителя.

Если вы разрабатываете устройство для одного из этих приложений, вы можете выбрать ИС трансимпедансного усилителя вместо использования ИС операционного усилителя и настройки его как трансимпедансный усилитель. Эти ИС оптимизированы для конкретных приложений и включают в себя другие функции, которые могут быть сложны для разработки с использованием дискретных компонентов.

Важные характеристики

Некоторые важные характеристики трансимпедансного усилителя:

• Трансимпеданс. Это эквивалентно усилению усилителя. Произведение трансимпеданса на входной ток дает выходное напряжение.

• Полоса пропускания трансимпеданса. Все трансимпедансные усилители имеют функции низкочастотной передачи при работе в линейном диапазоне. Многие практические приложения связаны с цифровыми или импульсными токами, и полоса пропускания импульса не должна превышать полосу пропускания входа усилителя. Эта спецификация имеет такое же значение, как и полоса пропускания при единичном усилении, т.е., увеличение полосы пропускания требует уменьшения усиления.

• Линейный диапазон. Как и любой другой операционный усилитель, ИС трансимпедансного усилителя может насыщаться, когда входной сигнал очень большой. Диапазон может быть указан как верхний предел или как нижний предел и некоторый динамический диапазон в дБ.

• Компенсация. Это важно в компонентах, используемых для обнаружения фотодиодов или любых других компонентов с паразитной емкостью. Из-за паразитной емкости в модели схемы фотодиода может возникнуть резонанс в функции передачи трансимпедансного усилителя. Это может быть видно на графике усиления против входной частоты, где разные кривые возникают для разных значений паразитной емкости исходного компонента. Усилитель с внутренней компенсацией позволяет использовать исходный компонент с более высокой паразитной емкостью.

• Шум тока в среднеквадратичном значении, отнесенный к входу. Это показывает вам спектральную плотность шумовой мощности (в терминах тока) при работе в замкнутом контуре. Это будет функцией усиления в контуре отрицательной обратной связи. Компоненты высокого качества будут иметь ~1-10 пА/√Гц среднеквадратичного тока шума, что переводится в 1-10 мВ шума на выходном сигнале для полосы пропускания 100 МГц при усилении 10 000.

Maxim Integrated, MAX40662

Трансимпедансный усилитель MAX40662 от Maxim Integrated - это четырехканальное устройство, предназначенное для оптических измерений дистанции в приемниках лидара и связанных приложениях, включающих импульсные токи. Трансимпеданс в этом компоненте можно выбирать (25 и 50 кОм) с очень низким уровнем шума (2.1 пА/√Гц спектральной плотности мощности), что делает этот компонент идеальным для быстрых измерений импульсного тока с низким джиттером. Он также включает внутренний мультиплексор, а полоса пропускания оценивается до 440 МГц, что легко поддерживает 10 нс импульсы тока.

Схема применения трансимпедансного усилителя MAX40662. Из технического описания MAX40662.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

LMH32401IRGTT от Texas Instruments идеально подходит для работы в шумных условиях благодаря своему дифференциальному выходу. Выходная мощность имеет 2 настройки, при этом обеспечивая высокий произведение усиления на полосу пропускания (оценено до 275 МГц при 20 кОм или 450 МГц при 2 кОм). Идеальные области применения этого компонента включают компьютерное зрение, механически сканируемый лидар, измерения положения по времени полета и связанные приложения, включающие импульсные источники тока.

Для приложений электрооптических измерений этот трансимпедансный усилитель включает в себя интегрированную схему отмены окружающего света и схему ограничения тока 100 мА для гашения переходных процессов. На более высокой настройке усиления этот компонент может фиксировать импульсы тока короче 800 пс. Входной шум также относится к 49 нА RMS при полной полосе пропускания, обеспечивая широкий динамический диапазон для измерений тока.

Блок-схема и полоса пропускания трансимпеданса на каждой настройке усиления. Из технического описания LMH32401.

Analog Devices, HMC799LP3E

Трансимпедансный усилитель HMC799LP3E от Analog Devices предназначен для радиочастотных приложений, таких как преобразование ИЧ в ВЧ. Передаточное сопротивление 10 кОм с полосой пропускания 700 МГц доступно с высоким динамическим диапазоном 65 дБ. Выход согласован по внутреннему сопротивлению с 50 Ом, что делает этот компонент совместимым с другими компонентами, обычно встречающимися в типичных РЧ системах.

Функциональная схема трансимпедансного усилителя HMC799LP3E и передаточное сопротивление. Из технического описания HMC799LP3E.

Это лишь некоторые из вариантов компонентов, которые вы найдете на рынке, и многие другие специализированы для функций, выходящих за рамки электрооптики. Хотя вышеупомянутые компоненты были представлены для использования в электрооптических приложениях, они могут использоваться с рядом других аналоговых датчиков.

Независимо от того, нужен ли вам трансимпедансный усилитель или другой специализированный усилитель, вы можете найти именно те компоненты, которые вам нужны, используя расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart. У вас будет доступ к обширному поисковому движку с данными дистрибьюторов и спецификациями деталей, все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с линейными интегральными схемами, чтобы найти компоненты, которые вам нужны для приема сигналов, усиления и фильтрации.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.