מגבר טרנס-עכבה

כדי להסביר במילים פשוטות מגבר Transimpedance הוא מעגל ממיר הממיר את זרם הקלט למתח פלט פרופורציונלי. כידוע כאשר זרם זורם דרך הנגד הוא יוצר ירידת מתח על פני הנגד אשר תהיה פרופורציונאלית לערך הזרם ולנגד הערך עצמו. כאן, בהנחה שערך הנגד יהיה קבוע באופן אידיאלי, נוכל להשתמש בחוק אוהם בקלות כדי לחשב את ערך הזרם בהתבסס על ערך המתח. זהו ממיר הזרם הבסיסי ביותר, ומכיוון שהשתמשנו בנגד (אלמנט פסיבי) כדי להשיג זאת הוא נקרא כממיר זרם פסיבי למתח.

מצד שני מגבר Transimpedance הוא ממיר זרם פעיל למתח שכן הוא משתמש ברכיב פעיל כמו Op-Amp כדי להמיר את זרם הקלט למתח יציאה פרופורציונלי. אפשר גם לבנות ממירים אקטיביים ל- V באמצעות רכיבים פעילים אחרים כמו BJT, IGBT, MOSFET וכו '. ממיר הזרם למתח הנפוץ ביותר הוא מגבר ה- Transimpedance (TIA), לכן במאמר זה נלמד עליו יותר ו כיצד להשתמש בו בעיצוב המעגלים שלך.

החשיבות של מגבר Transimpedance

כעת, כשאנו יודעים שאפילו ניתן להשתמש בנגד להמרת זרם למתח, מדוע עלינו לבנות זרם פעיל לממיר מתח באמצעות Op-Amp? איזה יתרון וחשיבות יש לו על פני ממירי V פסיבי ל- I?

כדי לענות שמאפשר להניח שדיודה רגישה (מקור הנוכחי) מספקת זרם על גבי המסוף שלה, תלוי באור הנופל עליו, ונגד פשוט בעל ערך נמוך מחובר לרוחב הפוטודיודה כדי להמיר את זרם המוצא למתח פרופורציונלי כפי שמוצג בתמונה. תמונה למטה.

המעגל שלעיל עשוי לעבוד היטב על פי התיאוריה, אך בפועל הביצועים יפורקו משום שדיודת התמונה תורכב מכמה מאפיינים קיבוליים לא רצויים הנקראים קיבול תועה. בשל כך לערך קטן יותר של נגד החישה, קבוע הזמן (t) (t = התנגדות החישה x קיבול תועה) יהיה קטן ומכאן הרווח יהיה נמוך. ההפך הגמור יקרה אם התנגדות החוש תגדל, הרווח יהיה גבוה וגם קבוע הזמן יהיה גבוה מערך הנגד הקטן. רווח לא אחיד זה יוביל ליחס לא מספיק לרעשוהגמישות של מתח המוצא מוגבלת. לכן, כדי לתקן את הבעיות הרעות והרעש הקשות, עדיף לעתים קרובות מגבר Transimpedance. נוסף על כך במגבר Transimpedance, המעצב יכול גם להגדיר את רוחב הפס ואת תגובת הרווח של המעגל בהתאם לדרישות התכנון.

עבודה של מגבר Transimpedance

מעגל המגבר Transimpedance הוא מגבר היפוך פשוט עם משוב שלילי. יחד עם המגבר, נגד משוב יחיד (R1) מחובר לקצה ההפוך של המגבר כפי שמוצג להלן.

כידוע זרם הקלט של מגבר אופ יהיה אפס בגלל עכבת הקלט הגבוהה שלו, ומכאן שהזרם ממקור הנוכחי שלנו צריך לעבור לחלוטין דרך הנגד R1. בואו ניקח בחשבון את הזרם הזה כ- Is. בשלב זה ניתן לחשב את מתח המוצא (Vout) של המגבר Op באמצעות הנוסחה הבאה -

Vout = -Is x R1

נוסחה זו תתקיים במעגל אידיאלי. אבל בתוך מעגל של ממש, את מגבר השרת יכלול ערך כלשהו של קיבול קלט קיבול תועה ברחבי סיכות הקלט שלה אשר יכול לגרום להיסחף פלט ו תנודה מצלצלת, מה שהופך את המעגל כולו יציב. כדי להתגבר על בעיה זו, במקום רכיב פסיבי יחיד, נדרשים שני רכיבים פסיביים לעבודה תקינה של מעגל הטרנספידנס. שני המרכיבים הפסיביים הללו הם הנגד הקודם (R1) וקבל נוסף (C1). גם הנגד וגם הקבל מחוברים במקביל בין הכניסה השלילית של המגברים לבין הפלט כפי שמוצג להלן.

המגבר התפעולי כאן מחובר שוב במצב משוב שלילי דרך הנגד R1 והקבל C1 כמשוב. הזרם (Is) המופעל על סיכת ההיפוך של מגבר ה- Transimpedance יומר למתח שווה ערך בצד הפלט כ- Vout. ניתן להשתמש בערך זרם הקלט וערך הנגד (R1) לקביעת מתח המוצא של מגבר הטרנספנדנס.

מתח המוצא אינו תלוי רק בנגד המשוב, אלא יש לו קשר עם הערך של קבלים המשוב C1. רוחב הפס של המעגל תלוי בערך קבלים המשוב C1, לכן ערך קבלים זה יכול לשנות את רוחב הפס של המעגל הכללי. עבור הפעולה היציבה של המעגל בכל רוחב הפס, הנוסחאות לחישוב ערך הקבל עבור רוחב הפס הנדרש מוצגות להלן.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

איפה, R1 הוא נגד המשוב ו- f _p הוא תדר רוחב הפס הנדרש.

במצב אמיתי, הקיבול הטפילי וקיבול הקלט של המגבר ממלאים תפקיד חיוני ביציבותו של מגבר ה- Transimpedance. תגובת רווח הרעש של המעגל יוצרת גם חוסר יציבות עקב שוליים העברת שלב במעגל וגורמת להתנהגות תגובת צעד.

תכנון מגבר טרנס-עכבה

כדי להבין כיצד להשתמש ב- TIA בתכנונים מעשיים בואו נעצב כזה באמצעות נגד וקבל אחד ונדמה אותו כדי להבין את פעולתו. המעגל השלם של ממיר זרם למתח באמצעות Op-amp מוצג להלן

המעגל הנ"ל משתמש במגבר כללי נמוך הספק LM358. הנגד R1 משמש כנגד משוב והקבל משמש את מטרתו של קבל משוב. המגבר LM358 מחובר בתצורת משוב שלילי. סיכת הקלט השלילית מחוברת למקור זרם קבוע והסיכה החיובית מחוברת לקרקע או בפוטנציאל 0. מכיוון שמדובר בסימולציה והמעגל הכללי פועל מקרוב כמעגל אידיאלי ערך הקבל לא ישפיע הרבה, אך חיוני אם המעגל בנוי פיזית. 10pF הוא ערך סביר, אך ניתן לשנות את ערך הקבל בהתאם לרוחב הפס של התדרים במעגלים שניתן לחשב באמצעות C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p כפי שנדון קודם.

לצורך פעולה מושלמת, המגבר המקבל מקבל גם כוח מאספקת מעקה כוח כפולה שהיא +/- 12V. ערך נגדי המשוב נבחר כ -1k.

סימולציה של מגבר טרנס-עכבה

ניתן לדמות את המעגל הנ"ל כדי לבדוק אם התכנון עובד כצפוי. מד מתח DC מחובר על פני יציאת המגבר על מנת למדוד את מתח היציאה של מגבר הטרנספנדנס שלנו. אם המעגל פועל כראוי, אזי ערך מתח המוצא המוצג במד המתח צריך להיות פרופורציונאלי לזרם המופעל על הסיכה ההפוכה של מגבר ה- Op.

את סרטון הסימולציה המלא תוכלו למצוא למטה

במקרה הבדיקה 1, זרם הקלט על פני המגבר ניתן כ -1 mA. מכיוון שעכבת הקלט של המגבר-על גבוהה מאוד, הזרם מתחיל לזרום דרך נגד המשוב ומתח המוצא תלוי בערך הנגד המשוב כפול הזרם זורם, נשלט על ידי הנוסחה Vout = -Is x R1 כ דנו קודם.

במעגל שלנו הערך של הנגד R1 הוא 1k. לכן, כאשר זרם הקלט הוא 1mA, ה- Vout יהיה, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 וולט

אם נבדוק את תוצאת הדמיית הזרם למתח שלנו, היא תואמת בדיוק. התפוקה הפכה לחיובית על ידי השפעה של מגבר Transimpedance.

במקרה הבדיקה 2, זרם הקלט על פני המגבר נקבע כמו.05mA או 500 מיקרו-אמפר. לכן ניתן לחשב את ערך מתח המוצא כ-.

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

אם נבדוק את תוצאת הסימולציה, זה גם תואם במדויק.

שוב זו תוצאת סימולציה. תוך כדי בניית המעגל, קיבול תועה פשוט כמעט יכול ליצור אפקט קבוע בזמן במעגל זה. על המעצב להקפיד על הנקודות הבאות בעת בנייה פיזית.

1. הימנע מחיבורי לחם או לוחות לבוש נחושת או כל לוחות רצועה אחרים לצורך חיבור. בנה את המעגל רק על PCB.
2. יש להלחין את מגבר ה- Op ישירות ל- PCB ללא בעל IC.
3. השתמש בעקבות קצרים לנתיבי משוב ולמקור הזרם הקלט (פוטודיודה או דברים דומים הנחוצים למדידה על ידי מגבר Transimpedance).
4. מקם את נגד המשוב ואת הקבל קרוב ככל האפשר למגבר התפעולי.
5. טוב להשתמש בנגדים עם עופרת קצרה.
6. הוסף קבלים פילטר מתאימים עם ערכים גדולים וקטנים על מסילת אספקת החשמל.
7. בחרו מגבר אופטימלי מתאים שתוכנן במיוחד למטרה זו של המגבר לפשטות העיצוב.

יישומים של מגבר Transimpedance

מגבר Transimpedance הוא כלי מדידת האות הנוכחי החיוני ביותר להפעלה הקשורה לחישה קלה. הוא נמצא בשימוש נרחב בהנדסה כימית, מתמרי לחץ, סוגים שונים של מד תאוצה, מערכות סיוע לנהג מתקדמות וטכנולוגיית LiDAR המשמשת ברכבים אוטונומיים.

החלק הקריטי ביותר במעגל הטרנספידנס הוא יציבות התכנון. הסיבה לכך היא הטפילים והנושאים הקשורים לרעש. על המעצב להקפיד על בחירת המגבר הנכון ועליו להקפיד על שימוש בהנחיות PCB מתאימות.