- Tầm quan trọng của Bộ khuếch đại cản trở
- Hoạt động của Bộ khuếch đại cản trở
- Thiết kế bộ khuếch đại Transimpedance
- Mô phỏng bộ khuếch đại cản trở
- Các ứng dụng của Bộ khuếch đại cản trở
Để giải thích một cách đơn giản, bộ khuếch đại Transimpedance là một mạch chuyển đổi biến đổi dòng điện đầu vào thành điện áp đầu ra tỷ lệ thuận. Như chúng ta biết khi dòng điện chạy qua một điện trở, nó tạo ra một điện áp giảm trên điện trở này sẽ tỷ lệ với giá trị của dòng điện và giá trị của chính điện trở đó. Ở đây, giả sử giá trị của điện trở lý tưởng là không đổi, chúng ta có thể dễ dàng sử dụng Định luật Ôm để tính giá trị của dòng điện dựa trên giá trị của Điện áp. Đây là bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp cơ bản nhất, và vì chúng tôi đã sử dụng một điện trở (phần tử thụ động) để thực hiện điều này, nó được gọi là bộ chuyển đổi dòng điện thụ động sang điện áp.
Mặt khác, bộ khuếch đại Transimpedance là một bộ chuyển đổi dòng điện hoạt động sang điện áp vì nó sử dụng một thành phần tích cực như Op-Amp để chuyển đổi dòng điện đầu vào thành điện áp đầu ra tỷ lệ. Cũng có thể xây dựng bộ chuyển đổi I sang V tích cực bằng cách sử dụng các thành phần tích cực khác như BJT, IGBT, MOSFET, v.v. Bộ chuyển đổi Dòng điện sang Điện áp được sử dụng phổ biến nhất là Bộ khuếch đại Transimpedance (TIA), vì vậy trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về nó và cách sử dụng nó trong thiết kế mạch của bạn.
Tầm quan trọng của Bộ khuếch đại cản trở
Bây giờ chúng ta đã biết thậm chí một điện trở có thể được sử dụng để chuyển đổi dòng điện thành điện áp, tại sao chúng ta phải xây dựng một bộ chuyển đổi dòng điện hoạt động sang điện áp bằng Op-Amp? Nó có lợi thế và tầm quan trọng nào so với bộ chuyển đổi Passive V to I?
Để trả lời điều đó, chúng ta hãy giả sử một điốt cảm quang (nguồn dòng) đang cung cấp dòng điện qua đầu cuối của nó tùy thuộc vào ánh sáng chiếu vào nó và một điện trở giá trị thấp đơn giản được kết nối qua điốt quang để chuyển đổi dòng điện đầu ra thành điện áp tỷ lệ như được hiển thị trong hình ảnh bên dưới.
Mạch trên có thể hoạt động tốt theo lý thuyết nhưng trên thực tế, hiệu suất sẽ được trang trí bởi vì diode quang cũng sẽ bao gồm một số đặc tính điện dung không mong muốn được gọi là điện dung lạc. Do đó đối với giá trị nhỏ hơn của điện trở cảm nhận, hằng số thời gian (t) (t = điện trở cảm thụ x Điện dung lạc) sẽ nhỏ và do đó độ lợi sẽ thấp. Điều ngược lại hoàn toàn sẽ xảy ra nếu tăng điện trở giác, độ lợi sẽ cao và hằng số thời gian cũng sẽ cao hơn giá trị điện trở nhỏ. Độ lợi không đồng đều này sẽ dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu không đủvà tính linh hoạt của điện áp đầu ra bị hạn chế. Do đó, để khắc phục các vấn đề liên quan đến độ lợi kém và nhiễu, bộ khuếch đại Transimpedance thường được ưu tiên sử dụng. Thêm vào điều này trong bộ khuếch đại Transimpedance, nhà thiết kế cũng có thể cấu hình băng thông và đáp ứng khuếch đại của mạch theo yêu cầu thiết kế.
Hoạt động của Bộ khuếch đại cản trở
Mạch khuếch đại Transimpedance là một bộ khuếch đại Đảo ngược đơn giản với phản hồi âm. Cùng với bộ khuếch đại, một điện trở phản hồi duy nhất (R1) được kết nối với đầu đảo ngược của Bộ khuếch đại như hình dưới đây.
Như chúng ta biết dòng điện đầu vào của Op-Amp sẽ bằng 0 do trở kháng đầu vào cao, do đó dòng điện từ nguồn hiện tại của chúng ta phải hoàn toàn đi qua điện trở R1. Hãy coi dòng điện này là Is. Tại thời điểm này, điện áp đầu ra (Vout) của Op-Amp có thể được tính bằng công thức dưới đây:
Vout = -Là x R1
Công thức này sẽ đúng trong một mạch lý tưởng. Nhưng trong một mạch thực, op-amp sẽ bao gồm một số giá trị của điện dung đầu vào và điện dung đi lạc trên các chân đầu vào của nó, điều này có thể gây ra hiện tượng trôi đầu ra và dao động đổ chuông, làm cho toàn bộ mạch không ổn định. Để khắc phục vấn đề này, thay vì một thành phần thụ động duy nhất, cần có hai thành phần thụ động để mạch Transimpedance hoạt động tốt. Hai thành phần thụ động đó là điện trở trước (R1) và một tụ điện bổ sung (C1). Cả điện trở và tụ điện được kết nối song song giữa đầu vào và đầu ra âm của bộ khuếch đại như hình dưới đây.
Bộ khuếch đại hoạt động ở đây một lần nữa được kết nối trong điều kiện phản hồi âm thông qua điện trở R1 và tụ điện C1 làm phản hồi. Dòng điện (Is) được áp dụng cho chân Inverting của bộ khuếch đại Transimpedance sẽ được chuyển đổi thành điện áp tương đương ở phía đầu ra dưới dạng Vout. Giá trị của dòng điện đầu vào và giá trị của điện trở (R1) có thể được sử dụng để xác định điện áp đầu ra của bộ khuếch đại Transimpedance.
Điện áp đầu ra không chỉ phụ thuộc vào điện trở phản hồi mà nó còn có mối quan hệ với giá trị của tụ phản hồi C1. Băng thông mạch phụ thuộc vào giá trị tụ điện phản hồi C1, do đó giá trị tụ điện này có thể làm thay đổi băng thông của mạch tổng thể. Để mạch hoạt động ổn định trong toàn bộ băng thông, các công thức tính toán giá trị tụ điện cho băng thông yêu cầu được trình bày dưới đây.
C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p
Trong đó, R1 là điện trở phản hồi và f p là tần số băng thông cần thiết.
Trong tình huống thực tế, điện dung ký sinh và điện dung đầu vào của bộ khuếch đại đóng một vai trò quan trọng trong sự ổn định của bộ khuếch đại Transimpedance. Đáp ứng tăng tiếng ồn của mạch cũng tạo ra sự không ổn định do biên độ lệch pha của mạch và gây ra hành vi đáp ứng bước quá mức.
Thiết kế bộ khuếch đại Transimpedance
Để hiểu cách sử dụng TIA trong các thiết kế thực tế, chúng ta hãy thiết kế một TIA sử dụng một điện trở và tụ điện đơn và mô phỏng nó để hiểu hoạt động của nó. Mạch hoàn chỉnh cho bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp sử dụng Op-amp được hiển thị bên dưới
Mạch trên sử dụng chung bộ khuếch đại công suất thấp LM358. Điện trở R1 hoạt động như một điện trở phản hồi và tụ điện phục vụ mục đích của một tụ điện phản hồi. Bộ khuếch đại LM358 được kết nối trong một cấu hình phản hồi âm. Chân đầu vào âm được nối với nguồn dòng điện không đổi và chân dương được nối với đất hoặc ở thế 0. Vì nó là một mô phỏng và mạch tổng thể đang hoạt động chặt chẽ như một mạch lý tưởng, giá trị tụ điện sẽ không ảnh hưởng nhiều nhưng nó là điều cần thiết nếu mạch được xây dựng vật lý. 10pF là một giá trị hợp lý nhưng giá trị tụ điện có thể thay đổi tùy thuộc vào băng thông tần số của mạch có thể được tính toán bằng cách sử dụng C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p như đã thảo luận trước đó.
Để hoạt động hoàn hảo, op-amp cũng được cấp nguồn từ nguồn điện kép +/- 12V. Giá trị điện trở phản hồi được chọn là 1k.
Mô phỏng bộ khuếch đại cản trở
Mạch trên có thể được mô phỏng để kiểm tra xem thiết kế có hoạt động như mong đợi hay không. Một vôn kế DC được kết nối qua đầu ra op-amp để đo điện áp đầu ra của bộ khuếch đại Transimpedance của chúng tôi. Nếu mạch hoạt động bình thường, thì giá trị của điện áp đầu ra hiển thị trên vôn kế phải tỷ lệ với dòng điện đặt vào chân đảo chiều của Op-Amp.
Video mô phỏng hoàn chỉnh có thể được tìm thấy bên dưới
Trong trường hợp thử nghiệm 1, dòng điện đầu vào qua op-amp được cho là 1mA. Khi trở kháng đầu vào của op-amp rất cao, dòng điện bắt đầu chạy qua điện trở phản hồi và điện áp đầu ra phụ thuộc vào giá trị điện trở phản hồi thời gian dòng điện chạy, được điều chỉnh bởi công thức Vout = -là x R1 là chúng ta đã thảo luận trước đó.
Trong đoạn mạch của chúng tôi, giá trị của điện trở R1 là 1k. Do đó, khi dòng đầu vào là 1mA, Vout sẽ là, Vout = -Là x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt
Nếu chúng tôi kiểm tra kết quả mô phỏng Dòng điện sang Điện áp, nó khớp chính xác. Đầu ra trở nên tích cực nhờ tác dụng của bộ khuếch đại Transimpedance.
Trong trường hợp thử nghiệm 2, dòng điện đầu vào qua op-amp được cho là 0,05mA hoặc 500 microampe. Do đó giá trị của điện áp đầu ra có thể được tính như.
Vout = -Là x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohms Vout =.5 Volt
Nếu chúng tôi kiểm tra kết quả mô phỏng, điều này cũng khớp chính xác.
Một lần nữa đây là kết quả mô phỏng. Trong khi xây dựng mạch thực tế, điện dung đi lạc đơn giản có thể tạo ra hiệu ứng không đổi thời gian trong mạch này. Người thiết kế nên cẩn thận về những điểm dưới đây khi xây dựng vật lý.
- Tránh các bảng mạch hoặc bảng đồng mạ hoặc bất kỳ bảng dải nào khác để kết nối. Chỉ xây dựng mạch trên PCB.
- Op-Amp cần được hàn trực tiếp vào PCB mà không cần giá đỡ IC.
- Sử dụng các dấu vết ngắn cho các đường phản hồi và nguồn dòng đầu vào (Điốt quang hoặc những thứ tương tự cần được đo bằng bộ khuếch đại Transimpedance).
- Đặt điện trở phản hồi và tụ điện càng gần bộ khuếch đại hoạt động càng tốt.
- Nó là tốt để sử dụng điện trở chì ngắn.
- Thêm các tụ lọc phù hợp với cả giá trị lớn và nhỏ trên thanh ray cấp nguồn.
- Chọn op-amp thích hợp được thiết kế đặc biệt cho mục đích này của bộ khuếch đại để đơn giản hóa thiết kế.
Các ứng dụng của Bộ khuếch đại cản trở
Bộ khuếch đại Transimpedance là công cụ đo tín hiệu hiện tại cần thiết nhất cho hoạt động liên quan đến cảm biến ánh sáng. Nó được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật hóa học, đầu dò áp suất, các loại gia tốc kế khác nhau, hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến và công nghệ LiDAR được sử dụng trong các phương tiện tự hành.
Phần quan trọng nhất của mạch Transimpedance là sự ổn định của thiết kế. Điều này là do các vấn đề liên quan đến ký sinh trùng và tiếng ồn. Nhà thiết kế phải cẩn thận trong việc lựa chọn bộ khuếch đại phù hợp và nên cẩn thận để sử dụng các nguyên tắc PCB phù hợp.