ثبات تقویت کننده امپدانس یا Transimpedance

در این مقاله قصد داریم تا برای شما از تقویت کننده امپدانس بگوییم و روش هایی را همراه با مثال و عملی کردن آن، به شما ارائه دهیم. شما پس از مطالعه این مقاله، خواهید دانست که تقویت کننده امپدانس چیست و چه کاری را انجام می دهد.

در وهله اول، به تعریف تقویت کننده امپدانس، اشاره می کنیم.

کلیک کنید: آموزش تعمیرات بردهای الکترونیکی با مدرک معتبر از سازمان فنی و حرفه ای

تقویت کننده امپدانس یا Transimpedance چیست؟

ما با تعریف اینکه یک تقویت کننده امپدانس چیست، شروع می کنیم. در اولین فرصت، بیایید نگاهی به یک مدار بیاندازیم.

مدار شکل 1 (a) جریان ورودی Ii را می پذیرد و آن را به ولتاژ خروجی Vo تبدیل می کند.

مبدل I-V ، برنامه های متنوعی را پیدا می کند که دو برجسته آن به عنوان پیش تقویت کننده فتودودیود و یک بافر برای مبدل های دیجیتال به آنالوگ جریان خروجی فعلی (DAC) هستند.

در ادامه نیز ما به تقویت کننده امپدانس احتیاج خواهیم داشت.

برای یافتن رابطه بین Vo و Ii، ما از قانون Ohm برای نوشتن Vo – Vn = RIi و قانون op-amp برای نوشتن Vo = a (0 – Vn) = –aVn استفاده می کنیم، جایی که a-amp باز است.

مقاله مرتبط: 6 راه طراحی برد مدار یا PCB

افزایش حلقه Vn را از بین می بریم و برای نسبت Vo / Ii حل می کنیم.

در حالت ایده آل، op-amp یک → ∞، ما A → Aideal = R. داریم از آن جا که A دارای ابعاد ولت / آمپر یا اهم است که ابعاد امپدانس هستند، A به درستی به عنوان افزایش ترجیحی و مدار شناخته می شود. همچنین به عنوان تقویت کننده امپدانس (TIA) شناخته می شود.

بسته به نوع کاربرد، Cn به طور معمول به ترتیب 10 pF تا 100 pF یا بالاتر است. صرف نظر از این، این یک اصول رایج است که Cn تمایل به بی ثبات کردن TIA دارد، بنابراین وظیفه طراح است که اقدامات لازم را برای ثبات مدار انجام دهد و به کمک تقویت کننده امپدانس صورت می گیرد.

بی ثبات سازی در ظرفیت Stray: میزان بسته شدن

اجازه دهید با استفاده از نرخ بسته شدن (ROC) تمایل بی ثبات کننده را با کمک تقویت کننده امپدانس بررسی کنیم.

برای این منظور، منبع ورودی را به صفر می رسانیم، حلقه را مانند شکل 2 (a) می شکنیم، ولتاژ تست Vt را اعمال می کنیم و ضریب بازخورد β (j β) را محاسبه می کنیم و در اینجا هیچگونه عملکرد تقویت کننده امپدانس را مشاهده نمی کنیم.

این به راحتی در فرم قرار داده می شود

جایی که

از نظر جسمی، Cn و R یک فرکانس قطب را در حلقه بازخورد ایجاد می کنند و به کمک تقویت کننده امپدانس احتیاج دارند.

در نتیجه، یک سیگنال که در اطراف حلقه حرکت می کند باید با دو قطب، یکی به دلیل op-amp و دیگری با توجه به Cn، با خطر جابجایی فاز به 180 درجه و در نتیجه خطر ثبات مدار را به خطر اندازد.

ما می توانیم بهتر این را در شکل 2 (b) تجسم کنیم که توطئه های افزایش حلقه باز | a | را نشان می دهد و متقابل عامل بازخورد | 1 / β (jƒ) |، که در تصویر زیر می بینید

فرکانس قطب ofp از β (jƒ) یک فرکانس صفر 1 / β (jƒ) است، نشان می دهد که | 1 / β (jƒ) | منحنی در ƒp شروع به افزایش می کند. اگر ƒp در مقایسه با فرکانس متقاطع ƒx کم باشد، ROC به 40 دسی بل می رسد، که حاکی از حاشیه فاز نزدیک به صفر است و تقویت کننده امپدانس در اینجا نقش موثری دارد.

برای مقابله با تاخیر فاز ناشی از Cn، معرفی سرب فاز با استفاده از ظرفیت بازخورد Cƒ در سراسر R است، همانطور که در شکل 3 (a) نشان داده شده است.

معادله (2) هنوز هم وجود دارد، مشروط بر اینکه R را با Z جایگزین کنیم (jƒ) = R || [1 / (j2πƒCƒ)]. این می دهد، پس از برخی از دستکاری های جبری و همچنین کمک تقویت کننده امپدانس، با شکل زیر رو به رو خواهید شد.

جایی که

توجه داشته باشید که Cƒ برای ب (jƒ) یک فرکانس صفر ایجاد می کند، در ضمن فرکانس قطب موجود را تا حدودی کاهش می دهد.

یک تکنیک آسان برای تجسم Cƒ را مشخص می کند تا موقعیتی مانند Z را در شکل درست قرار دهد، مانند شکل 3 (b). این باعث کاهش ROC از حدود 40 دسی بل / دسامبر به حدود 30 دسی بل می شود، بنابراین حاشیه فاز حدود 45 درجه را تضمین می کند. برای پیدا کردن C required مورد نیاز، از شکل 3 (b) یادداشت می کنیم که ƒz با میانگین هندسی ƒp و ft برابر است، یعنی =z = (ƒp × ƒt) 1/2. استفاده از عبارات معادله (7) و ساده سازی می دهد.

این معادله متعالی به آسانی توسط تمرین های متعدد انجام شود.

یک نمونه از Preodplifier Photodiode

مدار شکل 4 پیش تقویت کننده فوتودایود را مشخص می کند، مانند نمونه هایی که در تشخیص و دامنه نوری مورد استفاده قرار می گیرند و ربطی به تقویت کننده امپدانس ندارد.

نور باعث می شود که فتودودیود جریان کوچکی (تا چند میکروآمپر) بکشید، که op-amp سپس به یک ولتاژ قابل استفاده تبدیل می کند.

فرض بر این است که op-amp محصول دارای پهنای باند پایدار 10 مگاهرتز است و کل ظرفیت ورودی (مجموع ظرفیت اتصال دیود و دیافراگم ها از op-amp، اجزای مدار و ردیابی مدار) فرض می شود.

به 50 نانومتر مقدار Cƒ از طریق معادله (8) اختصاص داده می شود. فرض کنید Cƒ = 0 است و نتیجه زیر را مشاهده کنید.

برای مورد غیرقابل جبران ما ƒx = 178.4 kHz و زاویه فاز ph [a (jƒx)] ≈ -90 ° و ph [1 / β (jƒx)] 89.0 measure اندازه گیری می کنیم، بنابراین حاشیه فاز است و به کمک تقویت کننده امپدانس احتیاج دارد.

یک مدار تقریبا نوسانی را نشان می دهد.

برای مورد جبران شده، ما xx = 224.8 کیلو هرتز و زاویه فاز ph [a (jƒx)] ≈ -90 ° و ph [1 / β (jƒx)] 37.4 درجه را اندازه گیری می کنیم، بنابراین حاشیه فاز اکنون φm = 180 – 90 – 37.4 = 52.6 درجه، کمی بهتر از φm = 45 درجه مطلوب است.

یافته های فوق توسط پاسخ های تقویت کننده امپدانس با حلقه بسته شکل 6 تایید می شود، بدون جبران، مدار نوسانات آهسته را پوسیدگی می کند، در حالی که جبران نوسانات را به طرز چشمگیری خنثی می کند.

برای از بین بردن اوج، φm را باید تا 65.5 درجه افزایش داد و برای از بین بردن زنگ آن باید تا 76.3 درجه افزایش یابد.

بالا بردن φm بالاتر از 45 درجه منجر به وضعیت موجود در شکل 7 خواهد شد.

با استفاده از مدار PSpice شکل 5 (a)، با آزمایش و خطا متوجه می شویم که مقادیر مورد نیاز Cƒ به شرح زیر است:

• برای φm = 45.0 درجه سانتیگراد از Cƒ = 0.738 pF استفاده کنید و ƒx = 209 kHz را بدست آورید
• برای φm = 60.5 درجه سانتیگراد از Cƒ = 1.098 pF استفاده کنید و ƒx = 248 کیلوهرتز دریافت کنید
• برای φm = 73.3 درجه سانتیگراد از Cƒ = 1.606 pF استفاده کنید و ƒx = 326 کیلوهرتز دریافت کنید

پاسخ های حلقه بسته مربوطه در شکل 8 نشان داده شده است. درخواست برای حاشیه فاز افزایش یافته، پهنای باند AC کاهش یافته و واکنش امپدانس کندتر است.

TIA با استفاده از یک تقویت کننده CFA

خازن ورودی معکوس دارای اثر بی ثبات کننده بر TIA بر اساس تقویت کننده های بازخورد جریان (CFA) است.

این موضوع در مقاله قبلی در مورد CFA های دوگانه و تقویت کننده های کامپوزیت پوشانده شده است، که نشان می دهد ظرفیت بازخورد مورد نیاز برای φ 45.0 درجه φm is است.

TIA با استفاده از T-Network

همانطور که در رابطه با معادله شماره 1 مورد بحث قرار گرفته است، میزان جابجایی، در حد یک ∞ ∞، Aideal = R. است. برنامه هایی وجود دارد که به مقادیر بسیار بالاتر R از 1 MΩ نیاز دارند، مقادیری که ممکن است از نظر جسمی غیر عملی باشند و تقویت کننده امپدانس نقش موثری دارد.

یک ترفند جالب در اطراف این معضل استفاده از تقسیم ولتاژ R1-R2 بین خروجی op-amp و مقاومت در برابر بازخورد R است.

Op-amp سپس این ولتاژ را با توجه به بیان افزایش پیکربندی غیر ورود بزرگنمایی می کند، در این حالت (1 + R2 / (R || R1 و بنابراین ما داریم:

ما در واقع شاهد ضرب مقاومت توسط یک فاکتور هستیم

با مقادیر کامپوننت نشان داده شده، m = 1 + 9/1 + 9 × 103/106 106 10، بنابراین ما به مقاومت Aideal = 107 V / A با مقاومت جسمی تنها 106 Ω دست می یابیم.

همانطور که در شکل 10 (b) نشان داده شده است، تقسیم ولتاژ پایه را از 0 dB به +20 dB تغییر می دهد. مقایسه با شکل 3 (b) نشان می دهد که ما اکنون با یک فرکانس انتقال مؤثر از /t / 10 یا 1 مگاهرتز سر و کار داریم. معادله (8) هنوز هم وجود دارد، مشروط بر اینکه از 1 مگاهرتز برای آن استفاده کنیم، بنابراین Cƒ باید 101/2 برابر بیشتر شود. برای φm ≈ 45 درجه سانتیگراد ما = 2/101 ƒ 9/0 = 2.85 pF محاسبه می کنیم و تقویت کننده امپدانس به کمک ما می آید.

مقدار تصفیه شده تر C2 = 2.26 pF نشان داده شده در شکل 11 (a) طبق آزمایش و خطا، طبق معمول درست است.

ملاحظات عملی تقویت کننده امپدانس

مثال های فوق مقادیر نسبتا کمی از Cƒ را نشان می دهد، به طور معمول در محدوده پیکوفاردها یا حتی زیر پیکوفاردها است که به کمک تقویت کننده امپدانس صورت گرفته اند.

چنین مقادیر اندکی ممکن است از نظر جسمی غیر عملی باشد، بنابراین ما با یک مقدار عملی تر مانند CF = 10 pF شروع می کنیم و سپس op-amp را وادار می کنیم تا Cƒ را از طریق تقسیم ولتاژ به درایو Cƒ به مقیاس C پایین برود تا (کوچکتر) مورد نظر. ارزش. این مورد در شکل 12 برای مورد φm = 45.0 ° نشان داده شده است که با کمک تقویت کننده امپدانس بوده است.

همانطور که قبلا مشاهده شد، این امر به یک خازن موثر نظیر 0.738 pF نیاز دارد، بنابراین با چنین چیزی باید رو به رو شویم.

به R1 = 1 kΩ اجازه می دهیم و ما به R2 = 12.6 kΩ نیاز داریم.

با شروع این مقدار و سپس تنظیم دقیق آن با آزمایش و خطا برای رسیدن به φm = 45.0 درجه، ما به ارزش 11.4 کیلوΩ پایان می دهیم

جمع بندی تقویت کننده امپدانس

در این مقاله تقویت کننده امپدانس را مورد بررسی قرار دادیم. مبحث امپدانس در طراحی و ساخت و تولید بردهای الکترونیکی بسیار مهم است. بردهای الکترونیکی مهمترین قسمت هر دستگاه الکترونیکی هستند. تمام دستورات به قسمت های مختلف برد از طریق برد دستگاه ارسال می شود. برد دستگاه از ده ها و گاهی صدها قطعه مختلف نظیر مقاومت، خازن، سلف، دیود و … تشکیل شده است و خرابی هر قطعه حتی ریزترین آنها می تواند کل سیستم را با مشکل مواجه کند. در این حالت فقط یک متخصص تعمیرات برد می تواند آن را تست، عیب یابی و تعمیر کند و کل سیستم را به عملکرد اولیه خود بازگرداند.

متخصصان تعمیرات برد امنیت شغلی بالا و درآمد عالی دارند. برای تبدیل شدن به یک تعمیرکار متخصص بردهای الکترونیکی لازم است ابتدا آموزش های لازم را ببینید و به صورت عملی کار روی بردهای مختلف وسایل خانگی و صنعتی را تمرین کنید. همه این شرایط در آموزشگاه فنی سازان فراهم آمده است. دوره جامع آموزش تعمیرات بردهای الکترونیکی در آموزشگاه فنی سازان برگزار می شود و کارآموزان تعمیرات بردهای الکترونیکی را تحت نظر اساتید با سابقه و مجرب آموزش می بینند. در پایان دوره نیز یک مدرک قابل تایید از سازمان فنی و حرفه ای به کارآموزان تحویل داده می شود که می توانند بوسیله آن جواز کسب دریافت کنند.