En electrónica , un amplificador de transimpedancia ( TIA ) es un convertidor de corriente a voltaje, implementado casi exclusivamente con uno o más amplificadores operacionales . El TIA se puede utilizar para amplificar [1] la salida de corriente de los tubos Geiger – Müller , los tubos fotomultiplicadores, los acelerómetros , los fotodetectores y otros tipos de sensores a un voltaje utilizable. Los convertidores de corriente a voltaje se utilizan con sensores que tienen una respuesta de corriente que es más lineal que la respuesta de voltaje. Este es el caso de los fotodiodos.donde no es raro que la respuesta actual tenga una no linealidad superior al 1% en un amplio rango de entrada de luz. El amplificador de transimpedancia presenta una baja impedancia al fotodiodo y lo aísla del voltaje de salida del amplificador operacional. En su forma más simple, un amplificador de transimpedancia tiene solo una resistencia de retroalimentación de gran valor, R f . La ganancia del amplificador es establecida por esta resistencia y debido a que el amplificador está en una configuración inversora, tiene un valor de -R f. Hay varias configuraciones diferentes de amplificadores de transimpedancia, cada una adecuada para una aplicación particular. El único factor que todos tienen en común es el requisito de convertir la corriente de bajo nivel de un sensor en voltaje. La ganancia, el ancho de banda y las compensaciones de corriente y voltaje cambian con diferentes tipos de sensores, lo que requiere diferentes configuraciones de amplificadores de transimpedancia. [2]
Operación DC
En el circuito que se muestra en la figura 1, el fotodiodo (que se muestra como una fuente de corriente) está conectado entre tierra y la entrada inversora del amplificador operacional. La otra entrada del amplificador operacional también está conectada a tierra. Esto proporciona una carga de baja impedancia para el fotodiodo, que mantiene bajo el voltaje del fotodiodo. El fotodiodo está funcionando en modo fotovoltaico sin polarización externa. La alta ganancia del amplificador operacional mantiene la corriente del fotodiodo igual a la corriente de retroalimentación a través de R f . El voltaje de compensación de entrada debido al fotodiodo es muy bajo en este modo fotovoltaico autopolarizado. Esto permite una gran ganancia sin ningún voltaje de compensación de salida grande. Esta configuración se utiliza con fotodiodos que se iluminan con niveles de luz bajos y requieren mucha ganancia.
La ganancia de CC y de baja frecuencia de un amplificador de transimpedancia está determinada por la ecuación
entonces
Si la ganancia es grande, cualquier voltaje de compensación de entrada en la entrada no inversora del amplificador operacional dará como resultado una compensación de CC de salida. Una corriente de polarización de entrada en el terminal inversor del amplificador operacional resultará de manera similar en una compensación de salida. Para minimizar estos efectos, los amplificadores de transimpedancia generalmente se diseñan con amplificadores operacionales de entrada de transistores de efecto de campo (FET) que tienen voltajes de compensación de entrada muy bajos. [3]
También se puede utilizar un TIA inverso con el fotodiodo funcionando en el modo fotoconductor , como se muestra en la figura 2. Un voltaje positivo en el cátodo del fotodiodo aplica una polarización inversa. Esta polarización inversa aumenta el ancho de la región de agotamiento y reduce la capacitancia de la unión, mejorando el rendimiento de alta frecuencia. La configuración fotoconductora de un amplificador de fotodiodo de transimpedancia se utiliza cuando se requiere mayor ancho de banda. Por lo general, se requiere el condensador de retroalimentación C f para mejorar la estabilidad.
Ancho de banda y estabilidad
La respuesta de frecuencia de un amplificador de transimpedancia es inversamente proporcional a la ganancia establecida por la resistencia de retroalimentación. Los sensores con los que se usan los amplificadores de transimpedancia generalmente tienen más capacitancia de la que puede manejar un amplificador operacional. El sensor se puede modelar como una fuente de corriente y un condensador C i . [4] Esta capacitancia a través de los terminales de entrada del amplificador operacional, que incluye la capacitancia interna del amplificador operacional, introduce un filtro de paso bajo en la ruta de retroalimentación. La respuesta de paso bajo de este filtro se puede caracterizar como el factor de retroalimentación:
Cuando se considera el efecto de esta respuesta de filtro de paso bajo, la ecuación de respuesta del circuito se convierte en:
dónde es la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional.
A bajas frecuencias, el factor de retroalimentación β tiene poco efecto sobre la respuesta del amplificador. La respuesta del amplificador será cercana a la ideal:
siempre que la ganancia del bucle: es mucho mayor que la unidad.
En el diagrama de Bode de un amplificador de transimpedancia sin compensación, la curva plana con el pico, etiquetada como ganancia de I a V, es la respuesta de frecuencia del amplificador de transimpedancia. El pico de la curva de ganancia es típico de los amplificadores de transimpedancia no compensados o mal compensados. La curva etiquetada A OL es la respuesta de bucle abierto del amplificador. El factor de retroalimentación, representado como recíproco, se etiqueta como 1 / β. En la Fig. 4, la curva 1 / β y A OL forman un triángulo isósceles con el eje de frecuencia. Los dos lados tienen pendientes iguales pero opuestas, ya que uno es el resultado de un polo de primer orden y el otro de un cero de primer orden . Cada pendiente tiene una magnitud de 20 dB / década, correspondiente a un cambio de fase de 90 °. Cuando se agregan los 180 ° de inversión de fase del amplificador, el resultado es un total de 360 ° en la intersección f i , indicado por la línea vertical discontinua. En esa intersección, 1 / β = A OL para una ganancia de lazo de A OL β = 1. La oscilación ocurrirá en la frecuencia f i debido al cambio de fase de 360 °, o retroalimentación positiva, y la ganancia unitaria. [6] Para mitigar estos efectos, los diseñadores de amplificadores de transimpedancia agregan un condensador de compensación de valor pequeño ( C f en la figura anterior) en paralelo con la resistencia de retroalimentación. Cuando se considera este condensador de retroalimentación, el factor de retroalimentación compensado se convierte en
El capacitor de retroalimentación produce un cero, o deflexión en la curva de respuesta, en la frecuencia
Esto contrarresta el polo producido por C i a la frecuencia
El diagrama de Bode de un amplificador de transimpedancia que tiene un condensador de compensación en la ruta de retroalimentación se muestra en la Fig.5, donde el factor de retroalimentación compensado representado como recíproco, 1 / β, comienza a descender antes de f i , reduciendo la pendiente en el interceptar. La ganancia del lazo sigue siendo la unidad, pero el cambio de fase total no es de 360 ° completos. Uno de los requisitos para la oscilación se elimina con la adición del condensador de compensación, por lo que el circuito tiene estabilidad. Esto también reduce el pico de ganancia, produciendo una respuesta general más plana. Se utilizan varios métodos para calcular el valor del condensador de compensación. Un condensador de compensación que tiene un valor demasiado grande reducirá el ancho de banda del amplificador. Si el condensador es demasiado pequeño, puede producirse una oscilación. [8] Una dificultad con este método de compensación de fase es el pequeño valor resultante del condensador y el método iterativo que a menudo se requiere para optimizar el valor. No existe una fórmula explícita para calcular el valor del condensador que funcione para todos los casos. También se puede utilizar un método de compensación que utiliza un condensador de mayor valor que no es tan susceptible a los efectos de capacitancia parásitos . [9]
Consideraciones de ruido
En la mayoría de los casos prácticos, la fuente dominante de ruido en un amplificador de transimpedancia es la resistencia de retroalimentación. El ruido de voltaje referido a la salida es directamente el ruido de voltaje sobre la resistencia de retroalimentación. Este ruido de Johnson-Nyquist tiene una amplitud RMS
Aunque el voltaje de ruido de salida aumenta proporcionalmente a , la transimpedancia aumenta linealmente con , lo que da como resultado una corriente de ruido de entrada
Por tanto, para un buen comportamiento acústico, debe utilizarse una alta resistencia a la retroalimentación. Sin embargo, una mayor resistencia de retroalimentación aumenta la oscilación del voltaje de salida y, en consecuencia, se necesita una mayor ganancia del amplificador operacional, lo que exige un amplificador operacional con un producto de ancho de banda de alta ganancia . La resistencia de retroalimentación y por lo tanto la sensibilidad están limitadas por la frecuencia de operación requerida del amplificador de transimpedancia.
Derivación para TIA con amplificador operacional
La corriente de ruido de la resistencia de retroalimentación es igual a . Debido a tierra virtual en la entrada negativa del amplificador sostiene.
Por lo tanto, obtenemos para el voltaje de salida de ruido de la raíz cuadrada media (RMS). Es deseable una resistencia de retroalimentación alta porque la transimpedancia del amplificador crece linealmente con la resistencia, pero el ruido de salida solo aumenta con la raíz cuadrada de la resistencia de retroalimentación.
Diseño TIA discreto
También es posible construir un amplificador de transimpedancia con componentes discretos utilizando un transistor de efecto de campo para el elemento de ganancia. Esto se ha hecho cuando se requería una figura de ruido muy baja. [10]
Ver también
Fuentes
- Graeme, JG (1996). Amplificadores de fotodiodos: OP AMP Solutions . Gana tecnología. Educación McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-024247-0. Consultado el 12 de noviembre de 2020 .
Referencias
- ^ Principios electrónicos Paul E. Gray, Campbell Searle, pág. 641
- ^ El arte de la electrónica, Horowitz y Hill
- ^ Lafevre, K. (2012). Diseño de un amplificador de transimpedancia Cherry-Hooper modificado con cancelación de compensación de CC . BiblioBazaar. ISBN 978-1-249-07817-3. Consultado el 12 de noviembre de 2020 .
- ^ Graeme 1996 , p. 39.
- ^ Graeme 1996 , p. 40.
- ^ Graeme 1996 , p. 41.
- ^ Graeme 1996 , p. 43.
- ^ Por favor, Bob. "Amplificadores de transimpedancia" . StackPath . Consultado el 12 de noviembre de 2020 .
- ^ Graeme 1996 , p. 49.
- ^ Lin, TY; Verde, RJ; O'Connor, PB (26 de septiembre de 2012). "Un preamplificador de transimpedancia de un solo transistor de bajo ruido para espectrometría de masas con transformada de Fourier utilizando una red de retroalimentación T" . La revisión de instrumentos científicos . 83 (9): 094102. doi : 10.1063 / 1.4751851 . PMC 3470605 . PMID 23020394 .