Qué es un amplificador de transimpedancia: funcionamiento y sus aplicaciones

El amplificador de transimpedancia es un convertidor de corriente a voltaje diseñado con un componente activo como un amplificador operacional para cambiar la corriente de entrada a un voltaje de salida proporcional. También es posible diseñar un convertidor activo de corriente a voltaje con componentes activos como IGBT, BJT, MOSFET, etc. Pero el convertidor de corriente a voltaje más utilizado es el TIA, llamado "amplificador de transimpedancia". Por lo tanto, este artículo trata de una descripción general de un Amplificador de transimpedancia o TIA con nominaciones.

Definición de amplificador de transimpedancia

Un convertidor utilizado para transformar la corriente en voltaje usando uno o más amplificadores operacionales se llama amplificador de transimpedancia o TIA. Estos amplificadores se utilizan principalmente para cambiar la corriente de salida de los tubos fotomultiplicadores, los tubos Geiger-Müller y los fotodetectores a un voltaje de trabajo. Estos convertidores utilizan sensores que incluyen una respuesta de corriente más lineal en comparación con la respuesta de voltaje.

El circuito amplificador de transimpedancia simple incluye principalmente una resistencia de retroalimentación como Rf con un valor grande. Esta resistencia Rf se usa para ajustar la ganancia del amplificador de transimpedancia porque el amplificador está conectado en una configuración inversora.

Hay diferentes configuraciones de amplificadores de transimpedancia disponibles donde cada configuración se usa para una aplicación específica, pero hay un factor común en todas las configuraciones y es que convierte la corriente de bajo nivel del sensor en voltaje. Las compensaciones de ancho de banda, ganancia y voltaje y corriente cambiarán entre diferentes tipos de sensores que requieren diferentes configuraciones de amplificadores de transimpedancia.

Circuito y funcionamiento del amplificador de transimpedancia

El circuito amplificador de transimpedancia es un amplificador inversor muy simple que incluye retroalimentación negativa. Una resistencia de retroalimentación como "R1" está conectada a la terminal inversora (-) del amplificador que se muestra en el siguiente circuito.

La corriente de entrada de un amplificador operacional será cero debido a su alta impedancia de entrada, por lo que el flujo de corriente (Is) de la fuente de corriente debe pasar por la resistencia R1. El voltaje de salida del amplificador operacional en este punto se puede calcular usando la siguiente fórmula del amplificador de transimpedancia.

Vsal = -Es * R1

La fórmula de salida anterior tendrá un valor preciso en un circuito ideal. Sin embargo, en un circuito real, el amplificador tendrá valores de capacitancia de entrada y falsos en sus pines de entrada, lo que provocará una oscilación de timbre y una deriva de salida que hará que todo el circuito del amplificador sea inestable.

Para superar este problema, se requieren dos componentes pasivos en lugar de un solo componente como una resistencia y un condensador para el correcto funcionamiento del circuito de transimpedancia. Estos dos componentes simplemente se conectan en paralelo entre el terminal no inversor y la salida de un amplificador que se muestra a continuación.

En el circuito de arriba, nuevamente el amplificador operacional está conectado en retroalimentación negativa usando la resistencia y el capacitor como retroalimentación.

Una vez que el flujo de corriente como "Is" se aplica al pin inversor del amplificador de transimpedancia, la corriente se convertirá en voltaje como Vout. El voltaje de salida de este amplificador puede ser determinado por los valores de resistencia y corriente de entrada.

Aquí, el voltaje de salida depende de la resistencia de retroalimentación 'R1' y también tiene una relación principal con el valor del capacitor de retroalimentación 'C1'. El ancho de banda de este circuito amplificador depende principalmente del valor del capacitor de retroalimentación como C1, por lo que el valor de este capacitor solo cambia el ancho de banda general del circuito.

Para el funcionamiento estable del circuito en todo el ancho de banda, el valor del condensador para el ancho de banda requerido se puede calcular de la siguiente manera.

C1 ≤ 1/2π x R1 x pf

Dónde,

'R1' es la resistencia de retroalimentación

'fp' es la frecuencia de ancho de banda necesaria.

Prácticamente, la capacitancia de entrada y la capacitancia parásita del amplificador juegan un papel vital en la estabilidad del amplificador. La respuesta de ganancia de ruido del circuito creará inestabilidad debido al margen de cambio de fase del circuito amplificador y hará que el comportamiento de respuesta de paso se sobrepase.

La operación de la configuración del circuito amplificador de transimpedancia es cambiar una fuente de corriente de entrada a un voltaje de salida. Aquí, el flujo de corriente hacia la ganancia de voltaje depende principalmente de la resistencia de retroalimentación. Por lo tanto, este circuito amplificador puede mantener un voltaje de polarización estable en la fuente de entrada a medida que cambia la corriente de entrada.

Diseño de amplificador de transimpedancia

Se deben seguir los siguientes pasos para diseñar un amplificador de transimpedancia.

• Use un amplificador operacional de entrada CMOS o JFET a través de una corriente de polarización baja para reducir los errores de CC.
• Se suministra un voltaje de polarización al terminal no inversor del amplificador operacional para establecer el voltaje o/p para las corrientes de entrada.
• Opera en oscilación de voltaje de salida lineal para reducir los errores de no linealidad.

Pasos de diseño

El primer paso de diseño es calcular el valor de la resistencia de retroalimentación "R1".

R1 = VoMax-VoMin/IiMax-IiMin

Entradas Iimin = 0A, IiMax= 50uA

Salidas VoMin=0V,VoMax=5V

Ancho de banda fp=10KHz

Suministro Vcc = 15V y Vee = -15V

Sustituye estos valores en la ecuación anterior

R1 = 5V-0V/50uA-0uA = 100 kiloohmios

El segundo paso es calcular el capacitor de retroalimentación. Elija el capacitor de retroalimentación para cumplir con el ancho de banda del circuito.

C1 ≤ 1/2π x R1 x fp ≤ 1/2π x 100kΩ x 10kHz ≤ 150pF

Calcule el amplificador operacional GBW (ganancia de ancho de banda) requerido para que el circuito amplificador sea constante.

GBW > Ci+C1/2π x R1 x C1^2

Ci = Cs+Cd+Ccm = 0pF+3pF+3pF = 6pF

GBW > 6pF+150pF/2π x 100kΩ x (150pF)^2>11,03 kHz

Cs: capacidad de la fuente de entrada.

Cd: capacitancia diferencial de entrada del amplificador.

Ccm: capacitancia de entrada en modo común de la entrada inversora.

Ventajas desventajas

los ventajas y desventajas de un amplificador de transimpedancia Incluya lo siguiente.

• El diseño del circuito es simple con amplificador operacional, resistencia, etc.
• Similar a una resistencia, este amplificador transforma la corriente en voltaje, pero a diferencia de una resistencia, incluye impedancias de entrada y salida bajas incluso con una ganancia extremadamente alta.
• Un capacitor está conectado a la resistencia de retroalimentación en paralelo para proporcionar estabilidad en aplicaciones basadas en fotodiodos.
• Estos amplificadores funcionan tanto en convertidores I a V activos como pasivos, por lo que el convertidor I a V pasivo utiliza componentes pasivos, mientras que el convertidor I a V activo utiliza componentes activos. Pero la mayoría de las veces se usa un amplificador operacional en el amplificador de transimpedancia para lograr la conversión de I a V.
• La estabilidad del diseño es el elemento más crítico del circuito de transimpedancia debido a problemas de ruido y espurias. Por lo tanto, el diseñador de circuitos debe tener mucho cuidado al elegir un amplificador adecuado.

Aplicaciones

los aplicaciones de amplificador transimpedancia Incluya lo siguiente.

• Los amplificadores de transimpedancia se utilizan principalmente para procesar la salida de corriente de transductores de presión, fotodiodos, acelerómetros a un voltaje como salida de señal utilizable.
• Los amplificadores de transimpedancia proporcionan un procesamiento de señal lineal simple con un amplificador operacional y una resistencia para disipar la corriente.
• Se utiliza en equipos ópticos, sensores analógicos de baja potencia, equipos de RF, tubos Geiger-Müller, otros tipos de sensores, tubos fotomultiplicadores, fotodetectores, acelerómetros.
• Los TIA se utilizan en receptores de comunicaciones ópticas.
• Hay diferentes tipos de configuraciones de TIA donde cada configuración se usa para una aplicación en particular.

Es por tanto una descripción de un amplificador de transimpedancia. Algunas especificaciones importantes del amplificador de transimpedancia incluyen principalmente rango lineal, compensación, impedancia de transferencia, ruido de corriente RMS referenciado y ancho de banda de transimpedancia. Aquí hay una pregunta para usted, ¿qué es un amplificador operacional?