Lựa chọn và Ứng dụng của Bộ Khuếch Đại Transimpedance

Sẵn sàng chuyển đổi dòng thành điện áp? Bạn sẽ cần một bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng.

Mọi người đọc bài này có lẽ đều nhớ đã nghe về bộ khuếch đại hoạt động trong các lớp học điện tử cơ bản, nhưng tầm quan trọng của chúng không luôn hiển nhiên cho đến khi bạn bắt đầu sử dụng chúng cho các ứng dụng khác nhau. Có một số cách triển khai khác nhau cho bộ khuếch đại hoạt động, mỗi cách được đặt tên riêng biệt. Cụ thể, việc chuyển đổi từ dòng sang điện áp có vẻ đơn giản như chỉ cần sử dụng một điện trở và định luật Ohm. Tuy nhiên, thực tế phức tạp hơn là sử dụng một điện trở song song với tải.

Bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng cung cấp chính xác chức năng này, giúp có thể đọc dòng từ một thiết bị như photodiode hoặc bộ thu phát dưới dạng điện áp, sau đó có thể chuyển đổi thành tín hiệu số. Mặc dù bạn có thể làm điều tương tự với một loại bộ khuếch đại khác và một số linh kiện bên ngoài, bạn có thể tiết kiệm không gian trên bảng mạch và tiếp cận một số tính năng khác khi sử dụng bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng IC. Dưới đây là một số lựa chọn cho hệ thống tiếp theo của bạn.

Bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng là gì?

Một điều khiến tôi bối rối trong những năm đầu là điều gì làm cho các bộ khuếch đại khác nhau. Nếu bạn nhìn vào sơ đồ mạch của một bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng, nó trông khá giống với mạch bộ khuếch đại hoạt động với phản hồi âm. Vậy điều gì làm nó khác biệt so với bộ khuếch đại hoạt động? Câu trả lời là: bạn có thể xây dựng một bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng từ một bộ khuếch đại hoạt động; sự khác biệt nằm ở tín hiệu được đưa vào mạch khuếch đại và cách phản hồi hoạt động trong mạch.

Thay vì đi qua tất cả lý thuyết liên quan đến bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng, điểm của tất cả điều này là bạn có thể sử dụng một bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng để chuyển đổi dòng vào thành điện áp. Điều này quan trọng trong nhiều ứng dụng, như:

• Photodiodes và thiết bị quang học: Các thành phần này xuất ra dòng, nhưng cần được chuyển đổi thành tín hiệu số bằng ADC. Giai đoạn bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng chuyển đổi dòng này thành điện áp trước khi được đưa vào ADC. Một lĩnh vực sắp tới là trong hệ thống lidar cho xe tự hành.

• Cảm biến tương tự công suất thấp: Tín hiệu từ các bộ chuyển đổi áp suất, gia tốc kế, và các thành phần khác xuất ra dòng có thể được chuyển đổi thành điện áp và đưa vào ADC.

• Thiết bị RF: Các ứng dụng viễn thông và khoa học sử dụng bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng hoạt động ở tần số vi sóng.

Sơ đồ mạch này cho thấy kết nối op-amp điển hình được sử dụng để xây dựng một bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng không được bù.

Nếu bạn đang thiết kế cho một trong những ứng dụng này, bạn có thể chọn một IC khuếch đại trở kháng thay vì chọn một IC op-amp và cấu hình nó như một khuếch đại trở kháng. Những IC này được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể và bao gồm các tính năng khác có thể khó thiết kế với các thành phần rời rạc.

Thông số Quan Trọng

Một số thông số khuếch đại trở kháng quan trọng như sau:

• Trở kháng chuyển đổi. Đây tương đương với độ lợi của khuếch đại. Trở kháng chuyển đổi nhân với dòng vào sẽ cho ra điện áp ra.

• Băng thông trở kháng. Tất cả các khuếch đại trở kháng đều có chức năng chuyển đổi low-pass khi hoạt động trong phạm vi tuyến tính. Nhiều ứng dụng thực tế đối phó với dòng số hoặc dòng xung, và băng thông của xung không nên vượt quá băng thông đầu vào của khuếch đại. Thông số này có ý nghĩa giống như băng thông độ lợi đơn vị, tức là, tăng băng thông đòi hỏi giảm độ lợi.

• Phạm vi tuyến tính. Giống như bất kỳ op-amp nào khác, một IC khuếch đại trở kháng có thể bão hòa khi tín hiệu đầu vào rất lớn. Phạm vi có thể được chỉ định là giới hạn trên hoặc là giới hạn dưới và một số phạm vi động tính bằng dB.

• Bù trừ. Điều này quan trọng trong các thành phần được sử dụng cho cảm biến photodiode hoặc bất kỳ thành phần nào khác có dung kháng nhiễu. Do dung kháng nhiễu trong mô hình mạch của photodiode, một cộng hưởng có thể xuất hiện trong chức năng chuyển đổi của khuếch đại trở kháng. Điều này có thể được thấy trong biểu đồ độ lợi so với tần số đầu vào, nơi các đường cong khác nhau sẽ xuất hiện cho các giá trị khác nhau của dung kháng nhiễu của thành phần nguồn. Một khuếch đại với bù trừ nội bộ cho phép sử dụng thành phần nguồn với dung kháng nhiễu cao hơn.

• Dòng nhiễu RMS được tham chiếu. Điều này cho bạn biết mật độ công suất nhiễu RMS (theo thuật ngữ dòng điện) trong hoạt động vòng kín. Điều này sẽ là một chức năng của độ lợi trong vòng phản hồi âm. Các thành phần chất lượng cao sẽ có dòng nhiễu RMS ~1-10 pA/√Hz, điều này dịch thành nhiễu 1-10 mV trên tín hiệu ra cho một băng thông 100 MHz với độ lợi 10,000.

Maxim Integrated, MAX40662

Khuếch đại trở kháng MAX40662 từ Maxim Integrated là một thiết bị bốn kênh được thiết kế cho các phép đo khoảng cách quang học trong các bộ thu lidar và các ứng dụng liên quan đến dòng xung. Trở kháng chuyển đổi trong thành phần này có thể chọn bằng chân (25 và 50 kOhm) với độ nhiễu rất thấp (2.1 pA/√Hz mật độ công suất nhiễu), làm cho thành phần này lý tưởng cho các phép đo dòng xung nhanh với độ jitter thấp. Nó cũng bao gồm một bộ chuyển mạch nội bộ, và băng thông được đánh giá lên đến 440 MHz, sẽ dễ dàng hỗ trợ các xung dòng 10 ns.

Mạch ứng dụng khuếch đại trở kháng MAX40662. Từ tài liệu dữ liệu MAX40662.

Texas Instruments, LMH32401IRGTT

LMH32401IRGTT từ Texas Instruments là lựa chọn lý tưởng cho hoạt động trong môi trường ồn ào nhờ vào đầu ra chênh lệch của nó. Đầu ra có 2 cài đặt gain trong khi vẫn cung cấp một sản phẩm băng thông-gain cao (được đánh giá lên đến 275 MHz tại 20 kOhm, hoặc 450 MHz tại 2 kOhm). Các ứng dụng lý tưởng cho linh kiện này bao gồm thị giác máy tính, lidar quét cơ học, đo vị trí thời gian bay, và các ứng dụng liên quan đến nguồn dòng xung.

Đối với các ứng dụng đo lường quang điện tử, bộ khuếch đại chuyển đổi dòng này bao gồm một mạch hủy bỏ ánh sáng môi trường tích hợp và mạch kẹp dòng 100 mA để giảm xung đột. Tại cài đặt gain cao hơn, linh kiện này có thể cảm nhận các xung dòng ngắn tới 800 ps. Tiếng ồn đầu vào cũng được tham chiếu tới 49 nA RMS tại băng thông đầy đủ, cung cấp phạm vi động rộng cho việc đo dòng.

Sơ đồ khối và băng thông chuyển đổi tại mỗi cài đặt gain. Từ tài liệu dữ liệu LMH32401.

Analog Devices, HMC799LP3E

Bộ khuếch đại chuyển đổi dòng HMC799LP3E từ Analog Devices được dành cho các ứng dụng RF như chuyển đổi IF-to-HF. Trở kháng chuyển đổi 10 kOhm với băng thông 700 MHz có sẵn với phạm vi động cao 65 dB. Đầu ra được ghép nối trở kháng nội bộ với 50 Ohms, làm cho linh kiện này tương thích với các linh kiện khác thường thấy trong hệ thống RF.

Sơ đồ chức năng và trở kháng chuyển đổi của bộ khuếch đại chuyển đổi dòng HMC799LP3E. Từ tài liệu dữ liệu HMC799LP3E.

Đây chỉ là một số lựa chọn linh kiện bạn sẽ tìm thấy trên thị trường, và nhiều linh kiện khác được chuyên biệt hóa cho các chức năng ngoài quang điện tử. Mặc dù các linh kiện trên đã được quảng cáo cho việc sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử, chúng có thể được sử dụng với một loạt các cảm biến tương tự khác.

Dù bạn cần một bộ khuếch đại chuyển đổi dòng hay bộ khuếch đại mục đích đặc biệt khác, bạn có thể tìm thấy chính xác các linh kiện bạn cần khi bạn sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trong Octopart. Bạn sẽ có quyền truy cập vào một công cụ tìm kiếm rộng lớn với dữ liệu nhà phân phối và thông số kỹ thuật của linh kiện, tất cả đều có thể truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp tuyến tính của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần cho việc thu thập, khuếch đại và lọc tín hiệu.

Hãy cập nhật những bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.