Penguat transimpedansi

Untuk menjelaskan dengan kata sederhana penguat Transimpedansi adalah rangkaian konverter yang mengubah arus input menjadi tegangan output proporsional. Seperti yang kita ketahui ketika arus mengalir melalui resistor, itu menciptakan penurunan tegangan pada resistor yang akan sebanding dengan nilai arus dan nilai resistor itu sendiri. Di sini, dengan asumsi nilai resistor idealnya konstan kita dapat dengan mudah menggunakan Hukum Ohm untuk menghitung nilai arus berdasarkan nilai Tegangan. Ini adalah Konverter Arus ke Tegangan yang paling dasar, dan karena kita telah menggunakan resistor (elemen Pasif) untuk mencapai ini disebut sebagai Konverter Arus ke Tegangan Pasif.

Di sisi lain penguat Transimpedansi adalah konverter arus ke tegangan aktif karena menggunakan komponen aktif seperti Op-Amp untuk mengubah arus input menjadi tegangan output proporsional. Dimungkinkan juga untuk membangun konverter I ke V aktif menggunakan komponen aktif lainnya seperti BJT, IGBT, MOSFET, dll. Konverter Arus ke Tegangan yang paling umum digunakan adalah Transimpedance Amplifier (TIA), jadi dalam artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut tentangnya dan bagaimana menggunakannya dalam desain sirkuit Anda.

Pentingnya Penguat Transimpedansi

Sekarang kita tahu bahkan resistor dapat digunakan untuk mengubah arus menjadi tegangan, mengapa kita harus membangun konverter arus ke tegangan menggunakan Op-Amp? Keuntungan dan kepentingan apa yang dimilikinya dibandingkan pengonversi Pasif V ke I?

Untuk menjawab itu mari kita asumsikan dioda fotosensitif (sumber arus) menyediakan arus melintasi terminalnya tergantung pada cahaya yang jatuh di atasnya dan resistor nilai rendah sederhana dihubungkan melintasi fotodioda untuk mengubah arus keluaran menjadi tegangan proporsional seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Rangkaian di atas mungkin bekerja dengan baik berdasarkan teori tetapi dalam praktiknya kinerja akan didekortikasi karena foto-dioda juga akan terdiri dari beberapa sifat kapasitif yang tidak diinginkan yang disebut kapasitansi tersesat. Karena ini untuk nilai resistor sense yang lebih kecil, konstanta waktu (t) (t = resistansi sensor x Kapasitansi Stray) akan kecil dan karenanya penguatannya akan rendah. Kebalikannya akan terjadi jika resistansi sense ditingkatkan, gain akan tinggi dan konstanta waktu juga akan lebih tinggi dari nilai resistor kecil. Penguatan yang tidak merata ini akan menyebabkan rasio sinyal terhadap noise tidak mencukupidan fleksibilitas tegangan keluaran terbatas. Oleh karena itu, untuk memperbaiki gain yang buruk dan masalah terkait noise, amplifier Transimpedansi sering kali lebih disukai. Menambah ini dalam penguat Transimpedansi, desainer juga dapat mengkonfigurasi bandwidth dan respon gain dari rangkaian sesuai dengan kebutuhan desain.

Cara Kerja Penguat Transimpedansi

Rangkaian penguat Transimpedansi adalah penguat Pembalik sederhana dengan umpan balik negatif. Bersama dengan penguat, resistor umpan balik tunggal (R1) dihubungkan ke ujung pembalik Penguat seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Seperti yang kita ketahui arus input Op-Amp akan menjadi nol karena impedansi inputnya yang tinggi, oleh karena itu arus dari sumber arus kita harus sepenuhnya melewati resistor R1. Mari pertimbangkan arus ini sebagai Is. Pada titik ini, tegangan keluaran (Vout) Op-Amp dapat dihitung menggunakan rumus di bawah ini -

Vout = -Apakah x R1

Rumus ini akan berlaku di sirkuit yang ideal. Tetapi dalam rangkaian nyata, op-amp akan terdiri dari beberapa nilai kapasitansi masukan dan kapasitansi menyimpang di pin masukannya yang dapat menyebabkan penyimpangan keluaran dan osilasi dering, membuat seluruh rangkaian tidak stabil. Untuk mengatasi masalah ini, alih-alih satu komponen pasif, dua komponen pasif diperlukan agar rangkaian Transimpedansi berfungsi dengan benar. Kedua komponen pasif tersebut adalah resistor sebelumnya (R1) dan kapasitor tambahan (C1). Baik resistor dan kapasitor dihubungkan secara paralel antara input negatif amplifier dan output seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Penguat operasional di sini kembali dihubungkan dalam kondisi umpan balik negatif melalui resistor R1 dan kapasitor C1 sebagai umpan balik. Arus (Is) yang diterapkan ke pin Pembalik penguat Transimpedansi akan diubah menjadi tegangan ekuivalen pada sisi keluaran sebagai Vout. Nilai arus masukan dan nilai resistor (R1) dapat digunakan untuk menentukan tegangan keluaran penguat Transimpedansi.

Tegangan keluaran tidak hanya bergantung pada resistor umpan balik, tetapi juga memiliki hubungan dengan nilai kapasitor umpan balik C1. Bandwidth rangkaian bergantung pada nilai kapasitor umpan balik C1, oleh karena itu nilai kapasitor ini dapat mengubah bandwidth rangkaian keseluruhan. Untuk operasi rangkaian yang stabil di seluruh bandwidth, rumus untuk menghitung nilai kapasitor untuk bandwidth yang dibutuhkan ditunjukkan di bawah ini.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Dimana, R1 adalah resistor umpan balik dan f _p adalah frekuensi bandwidth yang dibutuhkan.

Dalam situasi nyata, kapasitansi parasit dan kapasitansi input penguat memainkan peran penting dalam stabilitas penguat Transimpedansi. Respon noise gain dari rangkaian juga menciptakan ketidakstabilan karena margin pergeseran fasa rangkaian dan menyebabkan perilaku respon langkah overshoot.

Desain Amplifier Transimpedansi

Untuk memahami cara menggunakan TIA dalam desain praktis, mari kita desain satu menggunakan resistor dan kapasitor tunggal dan mensimulasikannya untuk memahami cara kerjanya. Rangkaian lengkap konverter arus ke tegangan menggunakan Op-amp ditunjukkan di bawah ini

Rangkaian di atas menggunakan penguat daya rendah generik LM358. Resistor R1 bertindak sebagai resistor umpan balik dan kapasitor melayani tujuan kapasitor umpan balik. Penguat LM358 terhubung dalam konfigurasi umpan balik negatif. Pin input negatif dihubungkan ke sumber arus konstan dan pin positif dihubungkan ke ground atau potensial 0. Karena ini adalah simulasi dan keseluruhan rangkaian bekerja sama sebagai rangkaian ideal, nilai kapasitor tidak akan berpengaruh banyak tetapi sangat penting jika rangkaian dibangun secara fisik. 10pF adalah nilai yang wajar tetapi nilai kapasitor dapat diubah tergantung pada bandwidth frekuensi rangkaian yang dapat dihitung menggunakan C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p seperti yang dibahas sebelumnya.

Untuk pengoperasian yang sempurna, op-amp juga mendapatkan daya dari catu daya ganda yaitu +/- 12V. Nilai resistor umpan balik dipilih sebagai 1k.

Simulasi Penguat Transimpedansi

Sirkuit di atas dapat disimulasikan untuk memeriksa apakah desain berfungsi seperti yang diharapkan. Voltmeter DC dihubungkan melintasi keluaran op-amp untuk mengukur tegangan keluaran penguat Transimpedansi kami. Jika rangkaian berfungsi dengan baik, maka nilai tegangan keluaran yang ditampilkan pada voltmeter harus sebanding dengan arus yang diterapkan pada pin pembalik Op-Amp.

Video simulasi selengkapnya dapat dilihat di bawah

Dalam kasus uji 1, arus input yang melintasi op-amp diberikan sebagai 1mA. Karena impedansi masukan op-amp sangat tinggi, arus mulai mengalir melalui resistor umpan balik dan tegangan keluaran bergantung pada nilai resistor umpan balik dikalikan arus mengalir, diatur dengan rumus Vout = -Is x R1 sebagai kita bahas sebelumnya.

Di sirkuit kami nilai Resistor R1 adalah 1k. Oleh karena itu, ketika arus input 1mA, Vout akan menjadi, Vout = -Apakah x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohm Vout = 1 Volt

Jika kita memeriksa hasil simulasi Arus ke Tegangan kita, hasilnya sama persis. Output menjadi positif oleh efek penguat Transimpedansi.

Dalam kasus uji 2, arus input yang melintasi op-amp diberikan sebagai.05mA atau 500 mikroampere. Oleh karena itu nilai tegangan keluaran dapat dihitung sebagai.

Vout = -Apakah x R1 Vout = -0,0005 Amp x 1000 Ohm Vout = 0,5 Volt

Jika kita memeriksa hasil simulasi, ini juga sama persis.

Sekali lagi ini adalah hasil simulasi. Sementara membangun rangkaian kapasitansi nyasar praktis sederhana dapat menghasilkan efek konstanta waktu di rangkaian ini. Perancang harus berhati-hati tentang poin-poin di bawah ini saat membangun secara fisik.

Hindari papan tempat memotong roti atau papan berlapis tembaga atau papan strip lainnya untuk sambungan. Bangun sirkuit hanya di PCB.
Op-Amp perlu disolder langsung ke PCB tanpa pemegang IC.
Gunakan jejak pendek untuk jalur umpan balik dan sumber arus input (Fotodioda atau hal serupa yang perlu diukur oleh penguat Transimpedansi).
Tempatkan resistor umpan balik dan kapasitor sedekat mungkin dengan penguat operasional.
Baik untuk menggunakan resistor bertimbal pendek.
Tambahkan kapasitor filter yang tepat dengan nilai besar dan kecil pada rel catu daya.
Pilih op-amp yang tepat yang dirancang khusus untuk tujuan amplifier ini untuk kesederhanaan desain.

Aplikasi Penguat Transimpedansi

Penguat Transimpedansi adalah alat pengukur sinyal arus yang paling penting untuk operasi terkait penginderaan cahaya. Ini banyak digunakan dalam teknik kimia, transduser tekanan, berbagai jenis akselerometer, sistem bantuan pengemudi canggih dan teknologi LiDAR yang digunakan dalam kendaraan otonom.

Bagian terpenting dari rangkaian Transimpedansi adalah stabilitas desain. Ini karena parasit dan masalah terkait kebisingan. Perancang harus berhati-hati dalam memilih amplifier yang tepat dan harus berhati-hati dalam menggunakan pedoman PCB yang tepat.