Перейти к содержанию

Трансимпедансный усилитель

Фотодиод даёт ток от сотен пикоампер до десятков микроампер, а АЦП микроконтроллера меряет напряжение. Простейший способ — резистор последовательно с фотодиодом в обратном смещении — остаётся линейным, пока падение на резисторе много меньше смещения, и заставляет выбирать между чувствительностью, диапазоном и полосой. Операционный усилитель с резистором в обратной связи — трансимпедансный усилитель — держит напряжение на диоде постоянным и снимает этот компромисс.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Трансимпедансный усилитель (transimpedance amplifier, TIA) — схема на операционном усилителе, которая превращает входной ток в пропорциональное напряжение. Источник тока подключают к инвертирующему входу, а резистор Rf — между выходом и тем же входом. Входной ток не может втекать в ОУ, поэтому весь он идёт через Rf, а инвертирующий вход удерживается обратной связью на уровне неинвертирующего — это виртуальная земля:

Uвых=Iвх⋅Rf+UопU_\text{вых} = I_\text{вх} \cdot R_f + U_\text{оп}

Коэффициент передачи измеряется в омах — отсюда название «трансимпеданс».

Зачем он фотодиоду

Kuphaldt описывает два режима фотодиода. В фотогальваническом режиме — без нагрузки, по напряжению — выход нелинеен в широком диапазоне. В фототоковом режиме с нулевым или обратным смещением ток пропорционален световому потоку на несколько декад, и для него нужен именно усилитель тока (Vol. III, разд. 3.12.5). С простым нагрузочным резистором диод тоже работает линейно, пока падение на резисторе много меньше обратного смещения, но больший резистор ради чувствительности сужает этот диапазон и полосу. Трансимпедансный усилитель держит напряжение на фотодиоде постоянным и потому сохраняет линейность.

Расчёт по примеру TI

ПараметрЗначение
Питание3,3 В
Входной ток0–10 мкА
Выходное напряжение0,1–3,2 В
Полоса по −3 дБ50 кГц
Uоп100 мВ, делитель 11,5 кОм / 357 Ом
Rf = (3,2 − 0,1) В / 10 мкА310 кОм → 309 кОм
Cf = 1 / (2π·Rf·f−3дБ)10,3 пФ → 10 пФ
Cвх = Cфд + Cсинф + Cдиф47 + 5 + 1 = 53 пФ
Нужный GBW ≥ (Cвх + Cf) / (2π·Rf·Cf²)324 кГц

Источник: TLV900x, SBOS833R, разд. 9.2.2. ОУ TLV900x с произведением усиления на полосу 1 МГц удовлетворяет требованию с запасом.

На что обратить внимание

  • Входной ток ОУ складывается с измеряемым, поэтому для малых токов выбирают ОУ с минимальным входным током.
  • Cf и полоса ОУ. Конденсатор параллельно Rf задаёт полосу, а ёмкость фотодиода на входе определяет, какой GBW нужен ОУ. TI подтверждает, что TLV900x остаётся устойчивым в этой конфигурации.
  • Однополярное питание. Опорное напряжение на неинвертирующем входе поднимает «ноль» выхода туда, где ОУ ещё работает линейно.

Трансимпедансные каскады стоят внутри быстрых оптопар и датчиков освещённости. Общие правила работы ОУ — в статье об операционном усилителе, подходящие ОУ — на странице MCP6001 и TLV9001.

Частые вопросы

Зачем конденсатор параллельно резистору обратной связи?

Он задаёт полосу преобразователя. TI считает Cf из нужной полосы: Cf = 1 / (2π·Rf·f−3дБ), для 309 кОм и 50 кГц это 10 пФ, а затем проверяет, что ОУ с полосой 1 МГц остаётся устойчивым при входной ёмкости 53 пФ (SBOS833R, разд. 9.2.2).

Какой ОУ нужен для трансимпедансного усилителя?

С малым входным током — он складывается с током фотодиода, — и с достаточным произведением усиления на полосу. В примере TI нужен GBW не меньше 324 кГц, и TLV900x с 1 МГц подходит с запасом. Для очень малых токов выбирают ОУ с КМОП- или полевым входом.

Почему в примере TI выход начинается со 100 мВ, а не с нуля?

Так заданы требования к схеме: выход 0,1–3,2 В при питании 3,3 В, то есть с отступом от обеих шин питания. Чтобы его получить, TI подаёт на неинвертирующий вход опорное напряжение 100 мВ, и выход при нулевом токе равен 0,1 В: Uвых = Iвх·Rf + Uоп (SBOS833R, разд. 9.2.2).

Источники

  1. Texas Instruments. TLV900x Low-Power, RRIO, 1-MHz Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems, SBOS833R (revised November 2021) — разд. 9.2.2: ток фотодиода пропорционален поглощённой энергии фотонов, обычно от сотен пикоампер до десятков микроампер; для его преобразования в напряжение используют усилитель в трансимпедансном включении; пример на TLV9002: питание 3,3 В, вход 0–10 мкА, выход 0,1–3,2 В, полоса 50 кГц; Vout = Iin × RF + VREF; VREF = 100 мВ делителем 11,5 кОм / 357 Ом; RF = (3,2 − 0,1) В / 10 мкА = 310 кОм → 309 кОм; CF = 1 / (2π × RF × f−3dB) = 10,3 пФ → 10 пФ; входная ёмкость CIN = CPD + CCM + CD = 47 + 5 + 1 = 53 пФ; минимальная полоса ОУ fGBW ≥ (CIN + CF) / (2π × RF × CF²) = 324 кГц, у TLV900x 1 МГц
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 3 «Diodes and Rectifiers» (CC BY) — разд. 3.12.5: в фотогальваническом режиме выход фотодиода нелинеен в широком диапазоне; предпочтителен фототоковый режим с обратным или нулевым смещением — ток пропорционален световому потоку на несколько декад; с фотодиодом в этом режиме следует использовать усилитель тока (трансимпедансный усилитель); линейность сохраняется, пока диод не смещён в прямом направлении

Нашли ошибку?

Смотрите также