Amplificador de transimpedância

Para explicar em palavras simples, um amplificador de transimpedância é um circuito conversor que converte a corrente de entrada em uma tensão de saída proporcional. Como sabemos, quando a corrente flui através de um resistor, isso cria uma queda de tensão no resistor que será proporcional ao valor da corrente e ao próprio valor do resistor. Aqui, assumindo que o valor do resistor seja idealmente constante, podemos facilmente usar a Lei de Ohms para calcular o valor da corrente com base no valor da Tensão. Este é o conversor de corrente para tensão mais básico, e como usamos um resistor (elemento passivo) para fazer isso, ele é chamado de conversor de corrente passiva para tensão.

Por outro lado, um amplificador de transimpedância é um conversor de corrente ativa em voltagem, uma vez que usa um componente ativo como Op-Amp para converter a corrente de entrada em uma voltagem de saída proporcional. Também é possível construir conversores I para V ativos usando outros componentes ativos como BJTs, IGBTs, MOSFETs, etc. O conversor de corrente para tensão mais comumente usado é o amplificador de transimpedância (TIA), então neste artigo aprenderemos mais sobre ele e como usá-lo em seus projetos de circuito.

Importância do amplificador de transimpedância

Agora que sabemos que até mesmo um resistor pode ser usado para converter corrente em voltagem, por que temos que construir uma corrente ativa em conversores de voltagem usando Op-Amp? Que vantagem e importância ele tem sobre os conversores passivos de V para I?

Para responder a isso, vamos supor que um diodo fotossensível (fonte de corrente) está fornecendo corrente em seu terminal dependendo da luz que incide sobre ele e um resistor de baixo valor simples é conectado ao fotodiodo para converter a corrente de saída em uma tensão proporcional, conforme mostrado no imagem abaixo.

O circuito acima pode funcionar bem em teoria, mas na prática o desempenho será decorticado porque o fotodíodo também consistirá em algumas propriedades capacitivas indesejadas chamadas capacitância parasita. Devido a isso, para um valor menor de resistor de detecção, a constante de tempo (t) (t = resistência de detecção x Capacitância parasita) será pequena e, portanto, o ganho será baixo. O exato oposto acontecerá se a resistência de detecção for aumentada, o ganho será alto e a constante de tempo também será maior do que o pequeno valor do resistor. Este ganho desigual levará a uma relação sinal / ruído insuficientee a flexibilidade da tensão de saída é limitada. Portanto, para corrigir o ganho pobre e problemas relacionados ao ruído, um amplificador de transimpedância é geralmente preferido. Adicionando a isso em um amplificador de Transimpedância, o projetista também pode configurar a largura de banda e a resposta de ganho do circuito de acordo com os requisitos do projeto.

Trabalho do amplificador de transimpedância

O circuito amplificador de Transimpedância é um amplificador de inversão simples com feedback negativo. Junto com o amplificador, um único resistor de feedback (R1) é conectado à extremidade inversora do amplificador, conforme mostrado abaixo.

Como sabemos, a corrente de entrada de um Op-Amp será zero devido à sua alta impedância de entrada, portanto, a corrente de nossa fonte de corrente deve passar completamente pelo resistor R1. Vamos considerar esta corrente como Is. Neste ponto, a tensão de saída (Vout) do Op-Amp pode ser calculada usando a fórmula abaixo -

Vout = -Is x R1

Esta fórmula será válida em um circuito ideal. Mas em um circuito real, o op-amp consistirá em algum valor de capacitância de entrada e capacitância parasita em seus pinos de entrada, o que pode causar desvio de saída e oscilação de toque, tornando todo o circuito instável. Para superar este problema, em vez de um único componente passivo, dois componentes passivos são necessários para o funcionamento adequado do circuito de Transimpedância. Esses dois componentes passivos são o resistor anterior (R1) e um capacitor adicional (C1). O resistor e o capacitor são conectados em paralelo entre a entrada negativa do amplificador e a saída, conforme mostrado abaixo.

O amplificador operacional aqui é novamente conectado em condição de feedback negativo por meio do resistor R1 e do capacitor C1 como feedback. A corrente (Is) aplicada ao pino de inversão do amplificador de transimpedância será convertida em tensão equivalente no lado da saída como Vout. O valor da corrente de entrada e o valor do resistor (R1) podem ser usados para determinar a tensão de saída do amplificador de Transimpedância.

A tensão de saída não depende apenas do resistor de feedback, mas também está relacionada ao valor do capacitor de feedback C1. A largura de banda do circuito é dependente do valor C1 do capacitor de feedback, portanto, esse valor do capacitor pode alterar a largura de banda de todo o circuito. Para a operação estável do circuito em toda a largura de banda, as fórmulas para calcular o valor do capacitor para a largura de banda necessária são mostradas abaixo.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Onde, R1 é o resistor de realimentação ea f _p é a frequência de largura de banda necessária.

Em uma situação real, a capacitância parasita e a capacitância de entrada do amplificador desempenham um papel vital na estabilidade do amplificador de Transimpedância. A resposta de ganho de ruído do circuito também cria instabilidade devido à margem de mudança de fase do circuito e causa comportamento de resposta de etapa de ultrapassagem.

Projeto de amplificador de transimpedância

Para entender como usar o TIA em projetos práticos, vamos projetar um usando um único resistor e capacitor e simulá-lo para entender seu funcionamento. O circuito completo para o conversor de corrente em tensão usando Op-amp é mostrado abaixo

O circuito acima usa amplificador genérico de baixa potência LM358. O resistor R1 está atuando como um resistor de feedback e o capacitor está servindo ao propósito de um capacitor de feedback. O amplificador LM358 está conectado em uma configuração de feedback negativo. O pino de entrada negativo é conectado a uma fonte de corrente constante e o pino positivo é conectado ao aterramento ou em potencial 0. Como é uma simulação e o circuito geral está funcionando de perto como um circuito ideal, o valor do capacitor não afetaria muito, mas é essencial se o circuito for construído fisicamente. 10pF é um valor razoável, mas o valor do capacitor pode ser alterado dependendo da largura de banda da frequência do circuito, que pode ser calculada usando C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p conforme discutido anteriormente.

Para uma operação perfeita, o amplificador operacional também obtém energia de uma fonte de alimentação dupla que é de +/- 12V. O valor do resistor de feedback é selecionado como 1k.

Simulação de amplificador de transimpedância

O circuito acima pode ser simulado para verificar se o projeto funciona conforme o esperado. Um voltímetro DC é conectado à saída do amplificador operacional para medir a tensão de saída do nosso amplificador de Transimpedância. Se o circuito estiver funcionando corretamente, o valor da tensão de saída exibida no voltímetro deve ser proporcional à corrente aplicada ao pino inversor do Op-Amp.

O vídeo completo da simulação pode ser encontrado abaixo

No caso de teste 1, a corrente de entrada no amplificador operacional é fornecida como 1mA. Como a impedância de entrada do op-amp é muito alta, a corrente começa a fluir através do resistor de feedback e a tensão de saída é dependente do valor do resistor de feedback vezes que a corrente está fluindo, governada pela fórmula Vout = -Is x R1 como discutimos anteriormente.

Em nosso circuito, o valor do resistor R1 é 1k. Portanto, quando a corrente de entrada é 1mA, o Vout será, Vout = -Is x R1 Vout = -0,001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt

Se verificarmos o resultado da simulação de corrente para tensão, ele corresponde exatamente. A saída tornou-se positiva pelo efeito do amplificador de Transimpedância.

No caso de teste 2, a corrente de entrada no amplificador operacional é fornecida como 0,05 mA ou 500 microamperes. Portanto, o valor da tensão de saída pode ser calculado como.

Vout = -Is x R1 Vout = -0,0005 Amp x 1000 Ohms Vout = 0,5 Volt

Se verificarmos o resultado da simulação, ele também corresponde exatamente.

Mais uma vez, este é um resultado de simulação. Durante a construção do circuito, a capacitância parasita praticamente simples pode produzir um efeito de constante de tempo neste circuito. O designer deve ter cuidado com os pontos abaixo ao construir fisicamente.

Evite placas de ensaio ou placas revestidas de cobre ou quaisquer outras placas de tiras para conexão. Construa o circuito apenas em PCB.
O Op-Amp precisa ser soldado diretamente ao PCB sem o suporte de IC.
Use traços curtos para caminhos de feedback e a fonte de corrente de entrada (fotodiodo ou coisas semelhantes que precisam ser medidas por um amplificador de transimpedância).
Coloque o resistor de feedback e o capacitor o mais próximo possível do amplificador operacional.
É bom usar resistores com chumbo curtos.
Adicione capacitores de filtro adequados com valores grandes e pequenos no barramento da fonte de alimentação.
Escolha um amplificador operacional apropriado especialmente projetado para este propósito do amplificador para simplicidade do design.

Aplicações do amplificador de transimpedância

Um amplificador de transimpedância é a ferramenta de medição de sinal de corrente mais essencial para operação relacionada à detecção de luz. É amplamente utilizado em engenharia química, transdutores de pressão, diferentes tipos de acelerômetros, sistemas avançados de assistência ao motorista e tecnologia LiDAR que é usada em veículos autônomos.

A parte mais crítica do circuito de transimpedância é a estabilidade do projeto. Isso ocorre por causa do parasita e dos problemas relacionados ao ruído. O projetista deve ter cuidado ao escolher o amplificador correto e deve ter cuidado ao usar as diretrizes de PCB adequadas.