Amplificador de transimpedancia

Para explicarlo en palabras simples, un amplificador de transimpedancia es un circuito convertidor que convierte la corriente de entrada en un voltaje de salida proporcional. Como sabemos, cuando la corriente fluye a través de una resistencia, crea una caída de voltaje a través de la resistencia que será proporcional al valor de la corriente y al valor de la resistencia en sí. Aquí, suponiendo que el valor de la resistencia sea idealmente constante, podemos usar fácilmente la Ley de Ohm para calcular el valor de la corriente en función del valor de Voltaje. Este es el convertidor de corriente a voltaje más básico, y dado que hemos utilizado una resistencia (elemento pasivo) para lograrlo, se denomina convertidor pasivo de corriente a voltaje.

Por otro lado, un amplificador de transimpedancia es un convertidor activo de corriente a voltaje, ya que utiliza un componente activo como Op-Amp para convertir la corriente de entrada en un voltaje de salida proporcional. También es posible construir convertidores I a V activos utilizando otros componentes activos como BJT, IGBT, MOSFET, etc. El convertidor de corriente a voltaje más utilizado es el amplificador de transimpedancia (TIA), por lo que en este artículo aprenderemos más sobre él y cómo usarlo en sus diseños de circuitos.

Importancia del amplificador de transimpedancia

Ahora que sabemos que incluso una resistencia se puede usar para convertir corriente en voltaje, ¿por qué tenemos que construir una corriente activa en convertidores de voltaje usando Op-Amp? ¿Qué ventaja e importancia tiene sobre los convertidores Pasivos V a I?

Para responder eso, supongamos que un diodo fotosensible (fuente de corriente) está proporcionando corriente a través de su terminal dependiendo de la luz que cae sobre él y se conecta una resistencia simple de bajo valor a través del fotodiodo para convertir la corriente de salida a un voltaje proporcional como se muestra en la imagen de abajo.

El circuito anterior podría funcionar bien en teoría, pero en la práctica el rendimiento se decorticará porque el fotodiodo también constará de algunas propiedades capacitivas no deseadas llamadas capacitancia parásita. Debido a esto, para un valor más pequeño de resistencia de detección, la constante de tiempo (t) (t = resistencia de detección x capacitancia parásita) será pequeña y, por lo tanto, la ganancia será baja. Sucederá exactamente lo contrario si se aumenta la resistencia de detección, la ganancia será alta y la constante de tiempo también será mayor que el valor de la resistencia pequeña. Esta ganancia desigual dará lugar a una relación señal / ruido insuficientey la flexibilidad del voltaje de salida es limitada. Por lo tanto, para solucionar los problemas relacionados con la mala ganancia y el ruido, a menudo se prefiere un amplificador de transimpedancia. Además de esto en un amplificador de transimpedancia, el diseñador también puede configurar el ancho de banda y la respuesta de ganancia del circuito según los requisitos de diseño.

Funcionamiento del amplificador de transimpedancia

El circuito amplificador de transimpedancia es un amplificador inversor simple con retroalimentación negativa. Junto con el amplificador, se conecta una única resistencia de retroalimentación (R1) al extremo inversor del amplificador como se muestra a continuación.

Como sabemos, la corriente de entrada de un amplificador operacional será cero debido a su alta impedancia de entrada, por lo tanto, la corriente de nuestra fuente de corriente debe pasar completamente a través de la resistencia R1. Consideremos esta corriente como Is. En este punto, el voltaje de salida (Vout) del amplificador operacional se puede calcular usando la siguiente fórmula:

Vout = -Is x R1

Esta fórmula será válida en un circuito ideal. Pero en un circuito real, el amplificador operacional consistirá en algún valor de capacitancia de entrada y capacitancia parásita a través de sus pines de entrada, lo que podría causar desviación de salida y oscilación de timbre, haciendo que todo el circuito sea inestable. Para superar este problema, en lugar de un solo componente pasivo, se requieren dos componentes pasivos para el correcto funcionamiento del circuito de transimpedancia. Esos dos componentes pasivos son la resistencia anterior (R1) y un condensador adicional (C1). Tanto la resistencia como el condensador están conectados en paralelo entre la entrada negativa del amplificador y la salida como se muestra a continuación.

El amplificador operacional aquí está nuevamente conectado en condición de retroalimentación negativa a través de la resistencia R1 y el condensador C1 como retroalimentación. La corriente (Is) aplicada al pin de inversión del amplificador de transimpedancia se convertirá en voltaje equivalente en el lado de salida como Vout. El valor de la corriente de entrada y el valor de la resistencia (R1) se pueden usar para determinar el voltaje de salida del amplificador de transimpedancia.

El voltaje de salida no solo depende de la resistencia de retroalimentación, sino que también tiene una relación con el valor del capacitor de retroalimentación C1. El ancho de banda del circuito depende del valor C1 del capacitor de retroalimentación, por lo tanto, este valor del capacitor puede alterar el ancho de banda del circuito general. Para el funcionamiento estable del circuito en todo el ancho de banda, a continuación se muestran las fórmulas para calcular el valor del condensador para el ancho de banda requerido.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Donde, R1 es la resistencia de retroalimentación y f _p es la frecuencia de ancho de banda requerida.

En una situación real, la capacitancia parásita y la capacitancia de entrada del amplificador juegan un papel vital en la estabilidad del amplificador de transimpedancia. La respuesta de ganancia de ruido del circuito también crea inestabilidad debido al margen de desplazamiento de fase del circuito y provoca un comportamiento de respuesta de paso de sobreimpulso.

Diseño de amplificador de transimpedancia

Para comprender cómo usar TIA en diseños prácticos, diseñemos uno usando una sola resistencia y condensador y simulemos para comprender su funcionamiento. El circuito completo para el convertidor de corriente a voltaje que usa amplificador operacional se muestra a continuación

El circuito anterior utiliza un amplificador genérico de baja potencia LM358. La resistencia R1 actúa como una resistencia de retroalimentación y el capacitor cumple el propósito de un capacitor de retroalimentación. El amplificador LM358 está conectado en una configuración de retroalimentación negativa. El pin de entrada negativo está conectado a una fuente de corriente constante y el pin positivo está conectado a tierra o en potencial 0. Como se trata de una simulación y el circuito general funciona estrechamente como un circuito ideal, el valor del condensador no afectaría mucho, pero es esencial si el circuito está construido físicamente. 10pF es un valor razonable, pero el valor del capacitor se puede cambiar dependiendo del ancho de banda de frecuencia del circuito que se puede calcular usando C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p como se discutió anteriormente.

Para un funcionamiento perfecto, el amplificador operacional también recibe energía de una fuente de alimentación dual que es de +/- 12V. El valor de la resistencia de retroalimentación se selecciona como 1k.

Simulación de amplificador de transimpedancia

El circuito anterior se puede simular para verificar si el diseño funciona como se esperaba. Se conecta un voltímetro de CC a través de la salida del amplificador operacional para medir el voltaje de salida de nuestro amplificador de transimpedancia. Si el circuito funciona correctamente, entonces el valor del voltaje de salida que se muestra en el voltímetro debe ser proporcional a la corriente aplicada al pin inversor del amplificador operacional.

El video de simulación completo se puede encontrar a continuación

En el caso de prueba 1, la corriente de entrada a través del amplificador operacional se da como 1 mA. Como la impedancia de entrada del amplificador operacional es muy alta, la corriente comienza a fluir a través de la resistencia de retroalimentación y el voltaje de salida depende del valor de la resistencia de retroalimentación veces que fluye la corriente, gobernado por la fórmula Vout = -Is x R1 como discutimos anteriormente.

En nuestro circuito, el valor de la resistencia R1 es 1k. Por lo tanto, cuando la corriente de entrada es de 1 mA, la Vout será, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Voltio

Si comprobamos el resultado de la simulación de corriente a voltaje, coincide exactamente. La salida se volvió positiva por el efecto del amplificador de transimpedancia.

En el caso de prueba 2, la corriente de entrada a través del amplificador operacional se da como.05mA o 500 microamperios. Por lo tanto, el valor de la tensión de salida se puede calcular como.

Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohms Vout =.5 Voltios

Si comprobamos el resultado de la simulación, esto también coincide exactamente.

Una vez más, este es un resultado de simulación. Mientras se construye el circuito, la capacitancia parásita prácticamente simple podría producir un efecto de constante de tiempo en este circuito. El diseñador debe tener cuidado con los siguientes puntos al construir físicamente.

1. Evite las placas de prueba o las placas revestidas de cobre o cualquier otra placa de tira para la conexión. Construya el circuito solo en PCB.
2. El amplificador operacional debe soldarse directamente a la PCB sin soporte IC.
3. Utilice trazos cortos para las rutas de retroalimentación y la fuente de corriente de entrada (fotodiodo o elementos similares que se deben medir con un amplificador de transimpedancia).
4. Coloque la resistencia de retroalimentación y el condensador lo más cerca posible del amplificador operacional.
5. Es bueno utilizar resistencias con conductores cortos.
6. Agregue capacitores de filtro adecuados con valores grandes y pequeños en el riel de la fuente de alimentación.
7. Elija el amplificador operacional adecuado especialmente diseñado para este propósito del amplificador para simplificar el diseño.

Aplicaciones del amplificador de transimpedancia

Un amplificador de transimpedancia es la herramienta de medición de señales de corriente más esencial para la operación relacionada con la detección de luz. Es ampliamente utilizado en ingeniería química, transductores de presión, diferentes tipos de acelerómetros, sistemas avanzados de asistencia al conductor y tecnología LiDAR que se utiliza en vehículos autónomos.

La parte más crítica del circuito de transimpedancia es la estabilidad del diseño. Esto se debe a los problemas parasitarios y relacionados con el ruido. El diseñador debe tener cuidado al elegir el amplificador correcto y debe tener cuidado de utilizar las pautas adecuadas de PCB.