Amplificateur de transimpédance

Pour expliquer en termes simples, un amplificateur à transimpédance est un circuit convertisseur qui convertit le courant d'entrée en une tension de sortie proportionnelle. Comme nous le savons, lorsque le courant traverse une résistance, il crée une chute de tension à travers la résistance qui sera proportionnelle à la valeur du courant et à la valeur de la résistance elle-même. Ici, en supposant que la valeur de la résistance soit idéalement constante, nous pouvons facilement utiliser la loi d'Ohm pour calculer la valeur du courant en fonction de la valeur de la tension. Il s'agit du convertisseur courant-tension le plus basique, et comme nous avons utilisé une résistance (élément passif) pour accomplir cela, il est appelé convertisseur courant-tension passif.

D'autre part, un amplificateur à transimpédance est un convertisseur courant-tension actif car il utilise un composant actif comme Op-Amp pour convertir le courant d'entrée en une tension de sortie proportionnelle. Il est également possible de construire des convertisseurs I vers V actifs en utilisant d'autres composants actifs tels que BJT, IGBT, MOSFET, etc. Le convertisseur courant-tension le plus couramment utilisé est l' amplificateur de transimpédance (TIA), donc dans cet article, nous en apprendrons plus comment l'utiliser dans la conception de vos circuits.

Importance de l'amplificateur de transimpédance

Maintenant que nous savons que même une résistance peut être utilisée pour convertir le courant en tension, pourquoi devons-nous construire un convertisseur de courant actif en tension en utilisant Op-Amp? Quel avantage et quelle importance at-il sur les convertisseurs Passive V to I?

Pour répondre, supposons qu'une diode photosensible (source de courant) fournit du courant à sa borne en fonction de la lumière qui tombe dessus et une simple résistance de faible valeur est connectée à travers la photodiode pour convertir le courant de sortie en une tension proportionnelle comme indiqué dans le image ci-dessous.

Le circuit ci-dessus pourrait bien fonctionner en théorie, mais en pratique, les performances seront décortiquées car la photodiode comprendra également certaines propriétés capacitives indésirables appelées capacité parasite. Pour cette raison, pour une valeur de résistance de détection plus petite, la constante de temps (t) (t = résistance de détection x capacité parasite) sera petite et donc le gain sera faible. L'opposé exact se produira si la résistance de détection est augmentée, le gain sera élevé et la constante de temps sera également supérieure à la petite valeur de la résistance. Ce gain inégal conduira à un rapport signal / bruit insuffisantet la flexibilité de la tension de sortie est limitée. Par conséquent, pour résoudre les problèmes liés au faible gain et au bruit, un amplificateur à transimpédance est souvent préféré. En plus de cela dans un amplificateur à transimpédance, le concepteur peut également configurer la bande passante et la réponse de gain du circuit selon les exigences de conception.

Fonctionnement de l'amplificateur de transimpédance

Le circuit amplificateur à transimpédance est un simple amplificateur inverseur avec rétroaction négative. Avec l'amplificateur, une seule résistance de rétroaction (R1) est connectée à l'extrémité inverseuse de l'amplificateur comme indiqué ci-dessous.

Comme nous le savons, le courant d'entrée d'un ampli-op sera nul en raison de son impédance d'entrée élevée, par conséquent, le courant de notre source de courant doit passer complètement à travers la résistance R1. Considérons ce courant comme Is. À ce stade, la tension de sortie (Vout) de l'amplificateur opérationnel peut être calculée en utilisant la formule ci-dessous -

Vout = -Est x R1

Cette formule sera vraie dans un circuit idéal. Mais dans un circuit réel, l'ampli opérationnel se composera d'une certaine valeur de capacité d'entrée et de capacité parasite sur ses broches d'entrée, ce qui pourrait provoquer une dérive de sortie et une oscillation de sonnerie, rendant l'ensemble du circuit instable. Pour surmonter ce problème, au lieu d'un seul composant passif, deux composants passifs sont nécessaires pour le bon fonctionnement du circuit de transimpédance. Ces deux composants passifs sont la résistance précédente (R1) et un condensateur supplémentaire (C1). La résistance et le condensateur sont connectés en parallèle entre l'entrée négative de l'amplificateur et la sortie comme indiqué ci-dessous.

L'amplificateur opérationnel est à nouveau connecté en condition de rétroaction négative à travers la résistance R1 et le condensateur C1 comme rétroaction. Le courant (Is) appliqué à la broche inverseuse de l'amplificateur à transimpédance sera converti en tension équivalente du côté sortie en tant que Vout. La valeur du courant d'entrée et la valeur de la résistance (R1) peuvent être utilisées pour déterminer la tension de sortie de l'amplificateur à transimpédance.

La tension de sortie ne dépend pas seulement de la résistance de rétroaction, mais elle a également une relation avec la valeur du condensateur de rétroaction C1. La largeur de bande du circuit dépend de la valeur du condensateur de rétroaction Cl, par conséquent cette valeur du condensateur peut modifier la bande passante du circuit global. Pour un fonctionnement stable du circuit dans toute la bande passante, les formules pour calculer la valeur du condensateur pour la bande passante requise sont indiquées ci-dessous.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Où, R1 est la résistance de rétroaction et le f _p est la fréquence de bande passante requise.

Dans une situation réelle, la capacité parasite et la capacité d'entrée de l'amplificateur jouent un rôle essentiel dans la stabilité de l'amplificateur à transimpédance. La réponse de gain de bruit du circuit crée également une instabilité due à la marge de déphasage du circuit et provoque un comportement de réponse de pas de dépassement.

Conception d'amplificateur à transimpédance

Pour comprendre comment utiliser TIA dans des conceptions pratiques, concevons-en un en utilisant une seule résistance et un seul condensateur et simulons-le pour comprendre son fonctionnement. Le circuit complet pour le convertisseur courant-tension utilisant Op-amp est illustré ci-dessous

Le circuit ci-dessus utilise un amplificateur générique de faible puissance LM358. La résistance R1 agit comme une résistance de rétroaction et le condensateur sert le rôle d'un condensateur de rétroaction. L'amplificateur LM358 est connecté dans une configuration à rétroaction négative. La broche d'entrée négative est connectée à une source de courant constant et la broche positive est connectée à la terre ou au potentiel 0. Comme il s'agit d'une simulation et que le circuit global fonctionne en étroite collaboration comme un circuit idéal, la valeur du condensateur n'affecterait pas beaucoup, mais elle est essentielle si le circuit est construit physiquement. 10pF est une valeur raisonnable mais la valeur du condensateur peut être modifiée en fonction de la bande passante de fréquence du circuit qui peut être calculée en utilisant C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p comme discuté précédemment.

Pour un fonctionnement parfait, l'ampli opérationnel est également alimenté par une alimentation à double rail d'alimentation de +/- 12V. La valeur de la résistance de retour est sélectionnée comme 1k.

Simulation d'amplificateur de transimpédance

Le circuit ci-dessus peut être simulé pour vérifier si la conception fonctionne comme prévu. Un voltmètre CC est connecté sur la sortie de l'ampli-op pour mesurer la tension de sortie de notre amplificateur à transimpédance. Si le circuit fonctionne correctement, la valeur de la tension de sortie affichée sur le voltmètre doit être proportionnelle au courant appliqué à la broche inverseuse de l'Op-Amp.

La vidéo de simulation complète peut être trouvée ci-dessous

Dans le cas de test 1, le courant d'entrée à travers l'ampli opérationnel est donné comme 1 mA. Comme l'impédance d'entrée de l'ampli-op est très élevée, le courant commence à circuler dans la résistance de rétroaction et la tension de sortie dépend de la valeur de la résistance de rétroaction multipliée par le courant, régie par la formule Vout = -Is x R1 comme nous avons discuté plus tôt.

Dans notre circuit, la valeur de la résistance R1 est de 1k. Par conséquent, lorsque le courant d'entrée est de 1 mA, le Vout sera, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Si nous vérifions notre résultat de simulation courant-tension, il correspond exactement. La sortie est devenue positive par l'effet de l'amplificateur de transimpédance.

Dans le cas de test 2, le courant d'entrée à travers l'ampli opérationnel est donné comme 0,05 mA ou 500 microampères. Par conséquent, la valeur de la tension de sortie peut être calculée comme suit.

Vout = -Is x R1 Vout = -0,0005 Amp x 1000 Ohms Vout = 0,5 Volt

Si nous vérifions le résultat de la simulation, cela correspond également exactement.

Encore une fois, c'est un résultat de simulation. Lors de la construction du circuit, une capacité parasite pratiquement simple pourrait produire un effet de constante de temps dans ce circuit. Le concepteur doit faire attention aux points ci-dessous lors de la construction physique.

1. Évitez les planches à pain ou les planches plaquées de cuivre ou toute autre planche à bande pour la connexion. Construisez le circuit uniquement sur PCB.
2. L'amplificateur opérationnel doit être soudé directement sur le PCB sans support IC.
3. Utilisez des traces courtes pour les chemins de rétroaction et la source de courant d'entrée (photodiode ou choses similaires qui doivent être mesurées par un amplificateur à transimpédance).
4. Placez la résistance de rétroaction et le condensateur aussi près que possible de l'amplificateur opérationnel.
5. Il est bon d'utiliser des résistances à fils courts.
6. Ajoutez des condensateurs de filtre appropriés avec des valeurs grandes et petites sur le rail d'alimentation.
7. Choisissez un ampli opérationnel spécialement conçu à cet effet pour l'amplificateur pour la simplicité de la conception.

Applications de l'amplificateur de transimpédance

Un amplificateur à transimpédance est l' outil de mesure de signal de courant le plus essentiel pour les opérations liées à la détection de lumière. Il est largement utilisé dans le génie chimique, les transducteurs de pression, différents types d'accéléromètres, les systèmes avancés d'assistance à la conduite et la technologie LiDAR qui est utilisée dans les véhicules autonomes.

La partie la plus critique du circuit de transimpédance est la stabilité de conception. Ceci est dû aux problèmes parasitaires et liés au bruit. Le concepteur doit faire attention au choix du bon amplificateur et doit veiller à utiliser les directives de PCB appropriées.