مضخم Transimpedance

لشرح بكلمات بسيطة ، فإن مضخم Transimpedance عبارة عن دائرة محول تقوم بتحويل تيار الإدخال إلى جهد خرج نسبي. كما نعلم عندما يتدفق التيار عبر المقاوم فإنه يخلق انخفاضًا في الجهد عبر المقاوم والذي سيكون متناسبًا مع قيمة التيار وقيمة المقاومة نفسها. هنا ، بافتراض أن قيمة المقاوم ثابتة بشكل مثالي ، يمكننا بسهولة استخدام قانون أوم لحساب قيمة التيار بناءً على قيمة الجهد. هذا هو أبسط محول تيار إلى جهد ، وبما أننا استخدمنا المقاوم (عنصر سلبي) لإنجاز ذلك ، يطلق عليه محول التيار السلبي إلى محول الجهد.

من ناحية أخرى ، يعد مضخم Transimpedance عبارة عن تيار نشط لمحول الجهد لأنه يستخدم مكونًا نشطًا مثل Op-Amp لتحويل تيار الإدخال إلى جهد خرج نسبي. من الممكن أيضًا إنشاء محولات I إلى V نشطة باستخدام مكونات نشطة أخرى مثل BJTs و IGBTs و MOSFETs وما إلى ذلك. إن محول التيار إلى الجهد الأكثر استخدامًا هو مضخم Transimpedance Amplifier (TIA) ، لذلك في هذه المقالة سوف نتعلم المزيد عنها و كيفية استخدامه في تصاميم الدوائر الخاصة بك.

أهمية مكبر المقاومة

الآن بعد أن علمنا أنه يمكن استخدام المقاوم لتحويل التيار إلى جهد فلماذا يتعين علينا بناء تيار نشط لمحولات الجهد باستخدام Op-Amp؟ ما هي الميزة والأهمية التي تتمتع بها على محولات Passive V إلى I؟

للإجابة على ذلك ، لنفترض أن الصمام الثنائي الحساس للضوء (المصدر الحالي) يوفر تيارًا عبر طرفه اعتمادًا على الضوء الساقط عليه ويتم توصيل مقاوم بسيط منخفض القيمة عبر الثنائي الضوئي لتحويل تيار الخرج إلى جهد نسبي كما هو موضح في الصورة أدناه.

قد تعمل الدائرة المذكورة أعلاه بشكل جيد من الناحية النظرية ، ولكن من الناحية العملية ، سيتم فصل الأداء لأن الصمام الثنائي الضوئي سيتألف أيضًا من بعض الخصائص السعوية غير المرغوب فيها والتي تسمى السعة الشاردة. نتيجة لهذا لقيمة أصغر لمقاوم الإحساس ، سيكون ثابت الوقت (t) (t = مقاومة الإحساس x السعة الشاردة) صغيرًا وبالتالي سيكون الكسب منخفضًا. سيحدث العكس تمامًا إذا زادت مقاومة الإحساس ، فسيكون الكسب مرتفعًا وسيكون ثابت الوقت أيضًا أعلى من قيمة المقاوم الصغيرة. سيؤدي هذا الكسب غير المتكافئ إلى عدم كفاية الإشارة إلى نسبة الضوضاءومرونة جهد الخرج محدودة. لذلك ، لإصلاح مشكلات الكسب الضعيف والضوضاء ، غالبًا ما يُفضل استخدام مضخم Transimpedance. إضافة إلى ذلك في مضخم Transimpedance ، يمكن للمصمم أيضًا تكوين عرض النطاق الترددي واستجابة الكسب للدائرة وفقًا لمتطلبات التصميم.

عمل مكبر المقاومة

دائرة مضخم Transimpedance عبارة عن مضخم عكسي بسيط مع ردود فعل سلبية. جنبًا إلى جنب مع مكبر الصوت ، يتم توصيل مقاوم رد فعل فردي (R1) بالطرف العكسي لمكبر الصوت كما هو موضح أدناه.

كما نعلم ، فإن تيار الإدخال لـ Op-Amp سيكون صفراً بسبب مقاومة المدخلات العالية ، وبالتالي يجب أن يمر التيار من مصدرنا الحالي بالكامل عبر المقاوم R1. دعنا نعتبر هذا التيار هو Is. في هذه المرحلة ، يمكن حساب جهد الخرج (Vout) لـ Op-Amp باستخدام الصيغة أدناه -

صوت = -Is x R1

هذه الصيغة ستثبت في الدائرة المثالية. ولكن في الدائرة الحقيقية، سيتألف المرجع أمبير من بعض قيمة السعة المدخلات والسعة الضالة عبر دبابيس مدخلات والتي قد تسبب الانجراف الناتج و رنين التذبذب ، مما يجعل الدائرة بأكملها غير مستقرة. للتغلب على هذه المشكلة ، بدلاً من المكون السلبي الفردي ، يلزم وجود مكونين منفعلين للعمل السليم لدائرة Transimpedance. هذان المكونان السلبيان هما المقاوم السابق (R1) ومكثف إضافي (C1). يتم توصيل كل من المقاوم والمكثف بالتوازي بين المدخلات السلبية للمكبرات والمخرجات كما هو موضح أدناه.

يتم توصيل مكبر الصوت التشغيلي هنا مرة أخرى في حالة ردود فعل سلبية من خلال المقاوم R1 والمكثف C1 كملاحظات. سيتم تحويل التيار (Is) المطبق على الدبوس العكسي لمكبر Transimpedance إلى جهد مكافئ على جانب الإخراج كـ Vout. يمكن استخدام قيمة تيار الإدخال وقيمة المقاوم (R1) لتحديد جهد الخرج لمضخم Transimpedance.

لا يعتمد جهد الخرج على مقاومة التغذية المرتدة فحسب ، بل له أيضًا علاقة بقيمة مكثف التغذية المرتدة C1. يمكن الاعتماد على عرض النطاق الترددي للدائرة على قيمة مكثف التغذية المرتدة C1 ، وبالتالي فإن قيمة المكثف هذه يمكن أن تغير عرض النطاق الترددي للدائرة ككل. من أجل التشغيل المستقر للدائرة في النطاق الترددي بأكمله ، يتم عرض الصيغ الخاصة بحساب قيمة المكثف لعرض النطاق الترددي المطلوب أدناه.

C1 ≤ 1/2 x R1 xf _ص

حيث R1 هو المقاوم الارتجاعي و f _p هو تردد عرض النطاق الترددي المطلوب.

في الوضع الحقيقي ، تلعب السعة الطفيلية وسعة الإدخال للمكبر دورًا حيويًا في استقرار مضخم Transimpedance. تؤدي استجابة كسب الضوضاء للدائرة أيضًا إلى عدم الاستقرار بسبب هامش تحول طور الدائرة وتسبب سلوك استجابة خطوة تجاوز الحد.

تصميم مضخم Transimpedance

لفهم كيفية استخدام TIA في التصميمات العملية ، دعونا نصمم واحدًا باستخدام المقاوم والمكثف الفرديين ونقوم بمحاكاته لفهم عمله. تظهر الدائرة الكاملة لمحول التيار إلى الجهد باستخدام Op-amp أدناه

تستخدم الدائرة المذكورة أعلاه مضخمًا عامًا منخفض الطاقة LM358. يعمل المقاوم R1 كمقاوم ردود الفعل والمكثف يخدم الغرض من مكثف التغذية المرتدة. مكبر الصوت LM358 متصل بتكوين ردود فعل سلبية. يتم توصيل دبوس الإدخال السالب بمصدر تيار ثابت والدبوس الموجب متصل بالأرض أو في احتمال صفر. نظرًا لأنها محاكاة والدائرة ككل تعمل بشكل وثيق كدائرة مثالية ، فإن قيمة المكثف لن تؤثر كثيرًا ولكن من الضروري إذا تم إنشاء الدائرة ماديًا. 10pF هي قيمة معقولة ولكن يمكن تغيير قيمة المكثف اعتمادًا على عرض النطاق الترددي للدائرة والذي يمكن حسابه باستخدام C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p كما تمت مناقشته سابقًا.

للتشغيل المثالي ، يحصل جهاز op-amp أيضًا على الطاقة من مصدر طاقة مزدوج للسكك الحديدية وهو +/- 12V. تم تحديد قيمة مقاومة ردود الفعل على أنها 1 كيلو.

محاكاة مضخم Transimpedance

يمكن محاكاة الدائرة المذكورة أعلاه للتحقق مما إذا كان التصميم يعمل كما هو متوقع. يتم توصيل الفولتميتر DC عبر خرج op-amp لقياس جهد الخرج لمضخم Transimpedance الخاص بنا. إذا كانت الدائرة تعمل بشكل صحيح ، فيجب أن تكون قيمة جهد الخرج المعروضة على الفولتميتر متناسبة مع التيار المطبق على الدبوس المقلوب لـ Op-Amp.

يمكن العثور على فيديو المحاكاة الكامل أدناه

في حالة الاختبار 1 ، يتم إعطاء تيار الإدخال عبر المرجع أمبير كـ 1mA. نظرًا لأن مقاومة الإدخال لـ op-amp عالية جدًا ، فإن بداية التيار في التدفق من خلال المقاوم التغذية المرتدة والجهد الناتج يعتمد على قيمة مقاومة التغذية المرتدة التي يتدفق فيها التيار ، وتحكمها الصيغة Vout = -Is x R1 as ناقشنا في وقت سابق.

في دائرتنا قيمة المقاوم R1 هي 1 كيلو. لذلك ، عندما يكون تيار الإدخال 1mA ، سيكون Vout ،

Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

إذا تحققنا من نتيجة محاكاة التيار إلى الجهد ، فستتطابق تمامًا. أصبح الناتج إيجابيًا بتأثير مكبر Transimpedance.

في حالة الاختبار 2 ، يتم إعطاء تيار الإدخال عبر op-amp كـ.05mA أو 500 ميكرو أمبير. لذلك يمكن حساب قيمة جهد الخرج كـ.

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

إذا تحققنا من نتيجة المحاكاة ، فهذا أيضًا يتطابق تمامًا.

مرة أخرى هذه نتيجة محاكاة. أثناء بناء الدائرة ، يمكن أن ينتج عن السعة الشاردة البسيطة عمليًا تأثير ثابت للوقت في هذه الدائرة. يجب على المصمم توخي الحذر بشأن النقاط أدناه عند البناء المادي.

1. تجنب ألواح الخبز أو الألواح النحاسية أو أي ألواح شريطية أخرى للتوصيل. بناء الدائرة فقط على ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
2. يجب أن يتم لحام Op-Amp مباشرة بـ PCB بدون حامل IC.
3. استخدم آثارًا قصيرة لمسارات التغذية المرتدة ومصدر الإدخال الحالي (الثنائي الضوئي أو الأشياء المماثلة التي يلزم قياسها بواسطة مضخم Transimpedance).
4. ضع المقاوم الارتجاعي والمكثف في أقرب مكان ممكن من مكبر التشغيل.
5. من الجيد استخدام المقاومات القصيرة المحتوية على الرصاص.
6. أضف مكثفات مرشح مناسبة بقيم كبيرة وصغيرة على سكة إمداد الطاقة.
7. اختر جهاز op-amp المناسب المصمم خصيصًا لهذا الغرض من مكبر الصوت من أجل بساطة التصميم.

تطبيقات المضخم الترانسيمبانس

مضخم Transimpedance هو أهم أداة لقياس الإشارة الحالية للعملية ذات الصلة باستشعار الضوء. يستخدم على نطاق واسع في الهندسة الكيميائية ومحولات الضغط وأنواع مختلفة من مقاييس التسارع وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة وتكنولوجيا LiDAR المستخدمة في المركبات المستقلة.

الجزء الأكثر أهمية في دائرة Transimpedance هو استقرار التصميم. هذا بسبب الطفيليات والضوضاء ذات الصلة. يجب أن يكون المصمم حريصًا في اختيار مكبر الصوت الصحيح ويجب أن يكون حريصًا على استخدام إرشادات PCB المناسبة.