간단히 말해서 트랜스 임피던스 증폭기 는 입력 전류를 비례 출력 전압으로 변환 하는 컨버터 회로입니다. 전류가 저항을 통해 흐를 때 알다시피 저항에 전압 강하가 발생하여 전류 값과 저항 값에 비례합니다. 여기서 저항 값이 이상적으로 일정하다고 가정하면 옴 법칙을 사용하여 전압 값을 기반으로 전류 값을 쉽게 계산할 수 있습니다. 이것은 가장 기본적인 전류-전압 변환기이며,이를 달성하기 위해 저항 (수동 소자)을 사용했기 때문에이를 수동 전류-전압 변환기라고 합니다.
반면 트랜스 임피던스 증폭기는 입력 전류를 비례 출력 전압으로 변환하기 위해 Op-Amp와 같은 활성 구성 요소를 사용하기 때문에 활성 전류-전압 변환기 입니다. BJT, IGBT, MOSFET 등과 같은 다른 능동 구성 요소를 사용하여 능동 I-V 변환기 를 구축 할 수도 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 전류-전압 변환기는 트랜스 임피던스 증폭기 (TIA)이므로이 기사에서는 이에 대해 자세히 알아보고 회로 설계에서 사용하는 방법.
트랜스 임피던스 증폭기의 중요성
이제 저항조차도 전류를 전압으로 변환하는 데 사용할 수 있다는 것을 알았으므로 Op-Amp를 사용하여 활성 전류를 전압 변환기로 구축해야하는 이유는 무엇입니까? Passive V to I 컨버터에 비해 어떤 장점과 중요성이 있습니까?
이에 답하기 위해 감광 다이오드 (전류 소스)가 빛에 따라 단자에 전류를 제공하고 포토 다이오드에 간단한 저값 저항이 연결되어 출력 전류를 비례 전압으로 변환한다고 가정합니다. 아래 이미지.
위의 회로는 이론적으로 잘 작동 할 수 있지만 실제로는 광 다이오드가 표유 커패시턴스라고하는 원치 않는 정전 용량 속성으로 구성되기 때문에 성능이 장식됩니다. 이로 인해 감지 저항 값이 작기 때문에 시간 상수 (t) (t = 감지 저항 x 스트레이 커패시턴스)가 작아 져 이득이 낮아집니다. 감지 저항이 증가하면 그 반대가 발생하고 이득은 높고 시정 수도 작은 저항 값보다 높아집니다. 이 고르지 않은 이득은 불충분 한 신호 대 잡음 비율로 이어집니다.출력 전압의 유연성이 제한됩니다. 따라서 빈약 한 이득 및 잡음 관련 문제를 해결하기 위해 종종 트랜스 임피던스 증폭기가 선호됩니다. 트랜스 임피던스 증폭기에 추가하여 설계자는 설계 요구 사항에 따라 회로의 대역폭 및 이득 응답을 구성 할 수도 있습니다.
트랜스 임피던스 증폭기의 작동
트랜스 임피던스 증폭기 회로는 네거티브 피드백 이있는 간단한 반전 증폭기입니다. 증폭기와 함께 단일 피드백 저항 (R1)이 아래와 같이 증폭기의 반전 끝에 연결됩니다.
우리가 알고 있듯이 Op-Amp 의 입력 전류 는 높은 입력 임피던스로 인해 0이 될 것이므로 전류 소스의 전류는 저항 R1을 완전히 통과해야합니다. 이 전류를있는 것으로 생각해 봅시다. 이 시점에서 Op-Amp의 출력 전압 (Vout)은 아래 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
Vout = -Is x R1
이 공식은 이상적인 회로에서 적용됩니다. 그러나 실제 회로에서 연산 증폭기는 입력 핀에 걸쳐 입력 커패시턴스 및 표유 커패시턴스의 일부 값으로 구성되어 출력 드리프트 및 링잉 발진을 유발 하여 전체 회로를 불안정하게 만들 수 있습니다. 이 문제를 극복하려면 트랜스 임피던스 회로의 적절한 작동을 위해 단일 수동 부품 대신 두 개의 수동 부품이 필요합니다. 이 두 가지 수동 부품은 이전 저항기 (R1)와 추가 커패시터 (C1)입니다. 저항과 커패시터는 모두 아래 그림과 같이 증폭기의 음극 입력과 출력 사이에 병렬로 연결됩니다.
여기서 연산 증폭기는 다시 저항 R1과 피드백으로 커패시터 C1을 통해 네거티브 피드백 상태로 연결됩니다. 트랜스 임피던스 증폭기의 반전 핀에 적용된 전류 (Is)는 출력 측에서 Vout으로 등가 전압으로 변환됩니다. 입력 전류 값과 저항 (R1) 값은 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 전압을 결정하는 데 사용할 수 있습니다.
출력 전압은 피드백 저항에 의존 할뿐만 아니라 피드백 커패시터 C1의 값과도 관계가 있습니다. 회로 대역폭은 피드백 커패시터 값 C1에 따라 달라 지므로이 커패시터 값은 전체 회로의 대역폭을 변경할 수 있습니다. 전체 대역폭에서 회로의 안정적인 작동을 위해 필요한 대역폭에 대한 커패시터 값을 계산 하는 공식 은 다음과 같습니다.
C1 ≤ 1 / 2π (X) R1 XF P
여기서 R1은 피드백 저항이고 f p 는 필요한 대역폭 주파수입니다.
실제 상황에서 증폭기의 기생 커패시턴스와 입력 커패시턴스는 트랜스 임피던스 증폭기의 안정성에 중요한 역할을합니다. 회로의 잡음 이득 응답은 또한 회로 위상 편이 마진 으로 인해 불안정성을 유발하고 오버 슈트 단계 응답 동작을 유발 합니다.
트랜스 임피던스 증폭기 설계
실제 설계에서 TIA를 사용하는 방법을 이해하기 위해 단일 저항과 커패시터를 사용하여 하나를 설계하고 시뮬레이션하여 작동을 이해하겠습니다. 연산 증폭기를 사용 하는 전류-전압 변환기 의 전체 회로 는 다음과 같습니다.
위의 회로는 일반적인 저전력 증폭기 LM358을 사용합니다. 저항 R1은 피드백 저항으로 작동하고 커패시터는 피드백 커패시터의 용도로 사용됩니다. 증폭기 LM358은 네거티브 피드백 구성으로 연결됩니다. 음극 입력 핀은 정전류 소스에 연결되고 양극 핀은 접지 또는 0 전위에 연결됩니다. 시뮬레이션이고 전체 회로가 이상적인 회로로 밀접하게 작동하므로 커패시터 값은 큰 영향을 미치지 않지만 회로가 물리적으로 구성되는 경우 필수적입니다. 10pF는 합리적인 값이지만 앞에서 설명한대로 C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf p 를 사용하여 계산할 수있는 회로의 주파수 대역폭에 따라 커패시터 값이 변경 될 수 있습니다.
완벽한 작동을 위해 연산 증폭기는 +/- 12V의 이중 전원 레일 공급 장치에서 전원을 공급받습니다. 피드백 저항 값은 1k로 선택됩니다.
트랜스 임피던스 증폭기 시뮬레이션
위의 회로를 시뮬레이션하여 설계가 예상대로 작동하는지 확인할 수 있습니다. DC 전압계는 연산 증폭기 출력에 연결되어 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 전압을 측정합니다. 회로가 제대로 작동하면 전압계에 표시되는 출력 전압 값은 Op-Amp의 반전 핀에 적용된 전류에 비례해야합니다.
전체 시뮬레이션 비디오 는 아래에서 찾을 수 있습니다.
테스트 케이스 1 에서 연산 증폭기의 입력 전류는 1mA로 제공됩니다. 같이, 연산 증폭기의 입력 임피던스가 매우 높고, 현재 시작 피드백 저항을 통과하고, 출력 전압은 화학식 VOUT =가 결정됨 X R1 등의 적용, 전류가 흐르는 피드백 저항 값이 시간에 믿음직 앞서 논의했습니다.
우리 회로에서 저항 R1의 값은 1k입니다. 따라서 입력 전류가 1mA 일 때 Vout은
Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1V
전류 대 전압 시뮬레이션 결과 를 확인하면 정확히 일치합니다. 출력은 트랜스 임피던스 증폭기의 영향으로 양수가되었습니다.
테스트 케이스 2 에서 연산 증폭기의 입력 전류는.05mA 또는 500 마이크로 암페어로 제공됩니다. 따라서 출력 전압의 값은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohms Vout =.5 Volt
시뮬레이션 결과를 확인하면 이것도 정확히 일치합니다.
다시 한번 이것은 시뮬레이션 결과입니다. 회로를 구축하는 동안 사실상 단순한 표유 커패시턴스는이 회로에서 시간 상수 효과를 생성 할 수 있습니다. 설계자는 물리적으로 시공 할 때 아래 사항에주의해야합니다.
- 연결을 위해 브레드 보드, 구리 클래드 보드 또는 기타 스트립 보드를 사용하지 마십시오. PCB에만 회로를 구축하십시오.
- Op-Amp는 IC 홀더없이 PCB에 직접 납땜해야합니다.
- 피드백 경로 및 입력 전류 소스 (트랜스 임피던스 증폭기로 측정해야하는 포토 다이오드 또는 이와 유사한 것)에 대해 짧은 트레이스 를 사용 합니다.
- 피드백 저항과 커패시터 를 가능한 한 연산 증폭기에 가깝게 배치 하십시오.
- 짧은 리드 저항 을 사용하는 것이 좋습니다.
- 전원 공급 장치 레일에 크고 작은 값을 모두 가진 적절한 필터 커패시터 를 추가합니다.
- 설계의 단순성을 위해 증폭기의 이러한 목적을 위해 특별히 설계된 적절한 연산 증폭기를 선택하십시오.
트랜스 임피던스 증폭기의 응용
트랜스 임피던스 증폭기는 광 감지 관련 작동을위한 가장 필수적인 전류 신호 측정 도구 입니다. 그것은 화학 공학, 압력 변환기, 다양한 유형의 가속도계, 고급 운전자 지원 시스템 및 자율 주행 차량에 사용되는 LiDAR 기술에 널리 사용됩니다.
트랜스 임피던스 회로의 가장 중요한 부분은 설계 안정성입니다. 이것은 기생 및 소음 관련 문제 때문입니다. 설계자는 올바른 증폭기를 선택하는 데주의해야하며 적절한 PCB 지침을 사용하도록주의해야합니다.