ट्रांसिलिमेडेंस एम्पलीफायर

सरल शब्दों में व्याख्या करने के लिए एक ट्रांसिलमेडेंस एम्पलीफायर एक कनवर्टर सर्किट है जो इनपुट करंट को आनुपातिक आउटपुट वोल्टेज में परिवर्तित करता है । जैसा कि हम जानते हैं कि जब करंट एक रेज़र से प्रवाहित होता है तो यह रेज़िस्टर के पार एक वोल्टेज ड्रॉप बनाता है जो करंट के मान और आनुपातिक रोकने वाले के अनुपात में होगा। यहां, रोकनेवाला के मूल्य को आदर्श रूप से स्थिर मानकर हम वोल्टेज के मूल्य के आधार पर वर्तमान के मूल्य की गणना करने के लिए आसानी से ओम कानून का उपयोग कर सकते हैं। यह वोल्टेज कनवर्टर के लिए सबसे बुनियादी करंट है, और चूंकि हमने इसे पूरा करने के लिए एक प्रतिरोधक (पैसिव एलिमेंट) का इस्तेमाल किया है, इसलिए इसे पैसिव करंट से वोल्ट कन्वर्टर कहा जाता है ।

दूसरी ओर एक ट्रांसिलमेडेंस एम्पलीफायर वोल्टेज कनवर्टर के लिए एक सक्रिय धारा है क्योंकि यह इनपुट चालू को आनुपातिक आउटपुट वोल्टेज में बदलने के लिए ओप-एएमपी जैसे सक्रिय घटक का उपयोग करता है। BJTs, IGBTs, MOSFETs आदि जैसे अन्य सक्रिय घटकों का उपयोग करके सक्रिय I से V कन्वर्टर्स का निर्माण करना भी संभव है । सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला करंट टू वोल्टेज कन्वर्टर ट्रांसिम्पेडेंस एम्पलीफायर (TIA) है, इसलिए इस लेख में हम इसके बारे में और जानेंगे। अपने सर्किट डिजाइन में इसका उपयोग कैसे करें।

ट्रांसप्लीडेंस एम्पलीफायर का महत्व

अब जब हम जानते हैं कि एक अवरोधक का उपयोग करंट को वोल्टेज में परिवर्तित करने के लिए किया जा सकता है, तो हमें Op-Amp का उपयोग करके वोल्टेज कन्वर्टर्स को एक सक्रिय करेंट क्यों बनाना है? पैसिव V से I कन्वर्टर्स के लिए क्या लाभ और महत्व है?

यह उत्तर देने के लिए कि एक सहज डायोड (वर्तमान स्रोत) अपने टर्मिनल पर करंट प्रदान कर रहा है, जो उस पर पड़ने वाले प्रकाश के आधार पर प्रदान करता है और एक साधारण लो-वैल्यू रेसिस्टर एक आउटपुट वोल्टेज को आनुपातिक वोल्टेज में बदलने के लिए फोटोडायोड से जुड़ा होता है, जैसा कि दिखाया गया है। नीचे चित्र।

उपरोक्त सर्किट सिद्धांत रूप में अच्छी तरह से काम कर सकता है लेकिन व्यवहार में प्रदर्शन खराब हो जाएगा क्योंकि फोटो-डायोड में कुछ अवांछित कैपेसिटिव गुण भी शामिल होंगे जिन्हें आवारा समाई कहा जाता है। इन्द्रिय अवरोधक के एक छोटे से मूल्य के कारण, समय स्थिर (t) (t = सेंस रेसिस्टेंस x Stray Capacitance) छोटा होगा और इसलिए लाभ कम होगा। ठीक विपरीत होगा यदि भावना प्रतिरोध बढ़ा दिया जाता है, तो लाभ अधिक होगा और समय निरंतर भी छोटे अवरोधक मूल्य से अधिक होगा। यह असमान लाभ शोर अनुपात को अपर्याप्त संकेत देगाऔर आउटपुट वोल्टेज का लचीलापन सीमित है। इसलिए, खराब लाभ और शोर से संबंधित मुद्दों को ठीक करने के लिए, एक ट्रांसपीमेडेंस एम्पलीफायर अक्सर पसंद किया जाता है। एक ट्रांसम्पेडेंस एम्पलीफायर में इसे जोड़ते हुए, डिज़ाइनर की आवश्यकताओं के अनुसार डिजाइनर बैंडविड्थ और सर्किट की लाभ प्रतिक्रिया को भी कॉन्फ़िगर कर सकता है।

ट्रांसलिम्पडेंस एम्पलीफायर का कार्य करना

Transimpedance एम्पलीफायर सर्किट नकारात्मक प्रतिक्रिया के साथ एक सरल इनवर्टिंग एम्पलीफायर है । एम्पलीफायर के साथ, एक एकल प्रतिक्रिया अवरोधक (R1) एम्पलीफायर के इनवर्टिंग अंत से जुड़ा हुआ है जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

जैसा कि हम जानते हैं कि एक Op-Amp का इनपुट करंट अपने उच्च इनपुट प्रतिबाधा के कारण शून्य होगा, इसलिए हमारे वर्तमान स्रोत से वर्तमान को पूरी तरह से रोकनेवाला R1 से गुजरना पड़ता है। आइए इस वर्तमान पर विचार करें। इस बिंदु पर, Op-Amp के आउटपुट वोल्टेज (Vout) की गणना निम्न सूत्र के उपयोग से की जा सकती है -

Vout = -Is x R1

यह सूत्र एक आदर्श परिपथ में सही होगा। लेकिन एक वास्तविक सर्किट में, op-amp में इनपुट कैपेसिटेंस और आवारा कैपेसिटेंस के कुछ मूल्य शामिल होंगे जो कि इनपुट पिंस में होते हैं जो आउटपुट बहाव और रिंगिंग दोलन पैदा कर सकते हैं, जिससे पूरा सर्किट अस्थिर हो जाता है। इस समस्या को दूर करने के लिए, एकल निष्क्रिय घटक के बजाय, दो निष्क्रिय घटकों की आवश्यकता होती है, जो ट्रांसिम्पेडेंस सर्किट के समुचित कार्य के लिए होते हैं। वे दो निष्क्रिय घटक पिछले अवरोधक (R1) और एक अतिरिक्त संधारित्र (C1) हैं। रोकनेवाला और संधारित्र दोनों एम्पलीफायरों नकारात्मक इनपुट और आउटपुट के बीच समानांतर में जुड़े हुए हैं जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

यहां ऑपरेशनल एम्पलीफायर फिर से अवरोधक आर 1 और कैपेसिटर सी 1 के माध्यम से प्रतिक्रिया के रूप में नकारात्मक प्रतिक्रिया स्थिति में जुड़ा हुआ है। ट्रांसइम्पेंडेंस एम्पलीफायर के इन्वर्टिंग पिन पर लागू वर्तमान (ईएस) को वाउट के आउटपुट साइड पर बराबर वोल्टेज में परिवर्तित किया जाएगा। इनपुट करंट के मूल्य और रेसिस्टर (R1) के मूल्य का उपयोग ट्रांसपीमेडेंस एम्पलीफायर के आउटपुट वोल्टेज को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है।

आउटपुट वोल्टेज न केवल प्रतिक्रिया अवरोधक पर निर्भर है, बल्कि इसका फीडबैक कैपेसिटर C1 के मूल्य के साथ भी संबंध है। सर्किट बैंडविड्थ प्रतिक्रिया संधारित्र मान C1 पर भरोसेमंद है, इसलिए यह संधारित्र मान समग्र सर्किट की बैंडविड्थ को बदल सकता है। संपूर्ण बैंडविड्थ में सर्किट के स्थिर संचालन के लिए, आवश्यक बैंडविड्थ के लिए संधारित्र मान की गणना करने के सूत्र नीचे दिखाए गए हैं।

C1 _p 1 / 2π x R1 xf _पी

जहाँ, R1 प्रतिक्रिया अवरोधक है और f _p आवश्यक बैंडविड्थ आवृत्ति है।

एक वास्तविक स्थिति में, परजीवी समाई और एम्पलीफायर के इनपुट समाई ट्रांसपिरेडेंस एम्पलीफायर की स्थिरता में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। सर्किट का शोर लाभ प्रतिक्रिया भी सर्किट चरण शिफ्ट मार्जिन के कारण अस्थिरता पैदा करती है और ओवरशूट चरण प्रतिक्रिया व्यवहार का कारण बनती है।

ट्रांसलिम्पडेंस एम्पलीफायर डिज़ाइन

व्यावहारिक डिजाइनों में टीआईए का उपयोग कैसे करें, यह समझने के लिए कि किसी एकल अवरोधक और संधारित्र का उपयोग करके डिज़ाइन करें और इसके कार्य को समझने के लिए अनुकरण करें। Op-amp का उपयोग करके वोल्टेज कनवर्टर में करंट के लिए पूरा सर्किट नीचे दिखाया गया है

उपरोक्त सर्किट जेनेरिक कम पावर एम्पलीफायर LM358 का उपयोग करता है। रोकनेवाला R1 एक प्रतिक्रिया अवरोधक के रूप में कार्य कर रहा है और संधारित्र एक प्रतिक्रिया संधारित्र के उद्देश्य की सेवा कर रहा है। एम्पलीफायर LM358 एक नकारात्मक प्रतिक्रिया कॉन्फ़िगरेशन में जुड़ा हुआ है। नकारात्मक इनपुट पिन एक निरंतर वर्तमान स्रोत से जुड़ा है और सकारात्मक पिन जमीन या 0 क्षमता से जुड़ा है। जैसा कि यह एक सिमुलेशन है और समग्र सर्किट एक आदर्श सर्किट के रूप में बारीकी से काम कर रहा है संधारित्र मूल्य बहुत प्रभावित नहीं करेगा, लेकिन यह आवश्यक है कि सर्किट शारीरिक रूप से निर्मित हो। 10pF एक उचित मूल्य है लेकिन संधारित्र मूल्य को सर्किट्री की आवृत्ति बैंडविड्थ के आधार पर बदला जा सकता है जिसे पहले चर्चा की गई C1 C 1 / 2π x R1 xf _p का उपयोग करके गणना की जा सकती है ।

सही संचालन के लिए, op-amp को दोहरी विद्युत रेल आपूर्ति से बिजली भी मिलती है जो +/- 12V है। प्रतिक्रिया अवरोधक मान 1k के रूप में चुना गया है।

ट्रांसिलिमेडेंस एम्पलीफायर सिमुलेशन

उपरोक्त सर्किट को यह जांचने के लिए सिम्युलेटेड किया जा सकता है कि क्या डिज़ाइन उम्मीद के मुताबिक काम करता है। एक डीसी वाल्टमीटर हमारे ट्रांसपेरिडेंस एम्पलीफायर के आउटपुट वोल्टेज को मापने के लिए ऑप-एम्प आउटपुट से जुड़ा हुआ है। यदि सर्किट ठीक से काम कर रहा है, तो वाल्टमीटर पर प्रदर्शित आउटपुट वोल्टेज का मान Op-Amp के इन्वर्टिंग पिन पर लागू वर्तमान के लिए आनुपातिक होना चाहिए।

पूरा सिमुलेशन वीडियो नीचे पाया जा सकता है

टेस्ट केस 1 में, ऑप-एम्प के पार इनपुट करंट 1mA के रूप में दिया जाता है। चूंकि op-amp का इनपुट प्रतिबाधा बहुत अधिक है, प्रतिक्रिया अवरोधक के माध्यम से प्रवाह शुरू होता है और आउटपुट वोल्टेज प्रतिक्रिया अवरोधक मूल्य पर निर्भर करता है, जो वर्तमान में प्रवाह कर रहा है, सूत्र Vout = -I x R1 द्वारा शासित है। हमने पहले चर्चा की।

हमारे सर्किट में रेसिस्टर R1 का मान 1k है। इसलिए, जब इनपुट वर्तमान 1mA है, तो Vout होगा, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 वोल्ट

यदि हम अपने करंट को वोल्ट सिमुलेशन परिणाम की जांच करते हैं, तो यह बिल्कुल मेल खाता है। Transimpedance एम्पलीफायर के प्रभाव से आउटपुट सकारात्मक हो गया।

परीक्षण के मामले में 2, ऑप-एम्पी में इनपुट करंट.05mA या 500 माइक्रोएम्पर के रूप में दिया जाता है। इसलिए आउटपुट वोल्टेज के मूल्य की गणना की जा सकती है।

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

यदि हम सिमुलेशन परिणाम की जांच करते हैं, तो यह भी बिल्कुल मेल खाता है।

एक बार फिर यह एक सिमुलेशन परिणाम है। सर्किट का निर्माण करते समय व्यावहारिक रूप से सरल आवारा समाई इस सर्किट में निरंतर प्रभाव पैदा कर सकती है। शारीरिक रूप से निर्माण करते समय डिजाइनर को नीचे के बिंदुओं के बारे में सावधान रहना चाहिए।

कनेक्शन के लिए ब्रेडबोर्ड या कॉपर क्लैड बोर्ड या किसी अन्य स्ट्रिप बोर्ड से बचें। केवल पीसीबी पर सर्किट बनाएँ ।
Op-Amp को सीधे IC धारक के बिना PCB पर टांका लगाने की जरूरत है ।
प्रतिक्रिया पथ और इनपुट वर्तमान स्रोत (Photodiode या इसी तरह की चीजें जिन्हें एक ट्रांसिलमेडेंस एम्पलीफायर द्वारा मापा जाना चाहिए) के लिए छोटे निशान का उपयोग करें ।
प्रतिक्रिया रोकनेवाला और संधारित्र को ऑपरेशनल एम्पलीफायर के करीब रखें ।
शॉर्ट लीडेड रेसिस्टर्स का इस्तेमाल करना अच्छा है ।
बिजली आपूर्ति रेल पर दोनों बड़े और छोटे मूल्यों के साथ उचित फिल्टर कैपेसिटर जोड़ें ।
डिजाइन की सादगी के लिए एम्पलीफायर के इस उद्देश्य के लिए विशेष रूप से डिजाइन किए गए उचित ऑप-एम्प चुनें।

Transimpedance एम्पलीफायर के अनुप्रयोग

एक ट्रांसलिम्पेडेंस एम्पलीफायर प्रकाश संवेदी संबंधित ऑपरेशन के लिए सबसे आवश्यक वर्तमान सिग्नल माप उपकरण है । यह व्यापक रूप से रासायनिक इंजीनियरिंग, दबाव ट्रांसड्यूसर, विभिन्न प्रकार के एक्सेलेरोमीटर, उन्नत चालक सहायता प्रणालियों और LiDAR प्रौद्योगिकी में उपयोग किया जाता है जो स्वायत्त वाहनों में उपयोग किया जाता है।

Transimpedance सर्किट का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा डिजाइन स्थिरता है। यह परजीवी और शोर से संबंधित मुद्दों के कारण है। डिजाइनर को सही एम्पलीफायर चुनने के बारे में सावधान रहना चाहिए और उचित पीसीबी दिशानिर्देशों का उपयोग करने के लिए सावधान रहना चाहिए।