INGENIERÍA ELECTRÓNICA - CIRCUITOS ANALÓGICOS

 amplificador de transimpedancia (TIA) es un convertidor de corriente a voltaje, implementado casi exclusivamente con uno o más amplificadores operacionales . 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 donde se requería una cifra de ruido muy baja. ^[1] El TIA se puede usar para amplificar ^[2] la salida de corriente de los tubos Geiger-Müller , tubos foto multiplicadores, acelerómetros, detectores de fotos 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 en los que no es infrecuente que la respuesta actual tenga más del 1% de no linealidad en un amplio rango de entrada de luz. El amplificador de transimpedancia presenta una baja impedancia al fotodiodo y lo aísla de la tensión de salida del amplificador operacional. En su forma más simple, un amplificador de transimpedancia tiene solo una resistencia de realimentación de gran valor, _Rf . La ganancia del amplificador se establece mediante esta resistencia y debido a que el amplificador se encuentra en una configuración de inversión, tiene un valor de -R _f. Hay varias configuraciones diferentes de amplificadores de transimpedancia, cada uno adecuado 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 a un voltaje. La ganancia, el ancho de banda, así como las compensaciones de corriente y voltaje cambian con diferentes tipos de sensores, lo que requiere diferentes configuraciones de amplificadores de transimpedancia.

Fig. 1. Amplificador de transimpedancia simplificada.

Operación DC [ editar ]

En el circuito que se muestra en la figura 1, el fotodiodo está conectado a 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 el voltaje del fotodiodo bajo. 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 realimentación a través de R _f . La tensión de compensación de entrada debida al fotodiodo es muy baja en este modo fotovoltaico autoconsciente. 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

$${\ displaystyle -I _ {\ text {in}} = {\ frac {V _ {\ text {out}}} {R _ {\ text {f}}}},}

asi que

$${\ displaystyle {\ frac {V _ {\ text {out}}} {I _ {\ text {in}}}} = - R _ {\ text {f}}}

Si la ganancia es grande, cualquier voltaje de compensación de entrada en la entrada no inversora del amplificador operacional resultará en una compensación de CC de salida. Una corriente de polarización de entrada en el terminal inversor del amplificador operacional resultará de manera similar en un desplazamiento de salida. Para minimizar estos efectos, los amplificadores de transimpedancia generalmente se diseñan con amplificadores operacionales de entrada FET que tienen voltajes de compensación de entrada muy bajos. ^[4]

Fig. 2. Amplificador de transimpedancia con un fotodiodo de polarización inversa.

También se puede usar un TIA de inversión con el fotodiodo funcionando en modo fotoconductor , como se muestra en la figura. 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, lo que mejora el rendimiento de alta frecuencia. La configuración fotoconductora de un amplificador de fotodiodo de transimpedancia se utiliza cuando se requiere un mayor ancho de banda. El condensador de retroalimentación C _f se requiere generalmente para mejorar la estabilidad.

El amplificador de transimpedancia presenta una baja impedancia al fotodiodo y lo aísla de la tensión de salida del amplificador operacional. En su forma más simple un amplificador de transimpedancia tiene sólo una resistencia de gran valor de realimentación, R _f . La ganancia del amplificador está fijado por esta resistencia y tiene un valor de - R _f (porque el amplificador está en una configuración inversora). Hay varias configuraciones diferentes de amplificadores de transimpedancia, cada uno adecuado para una aplicación particular. El único factor que todos tienen en común es el requisito de convertir la corriente de bajo nivel a un voltaje.

La ganancia, el ancho de banda, así como las compensaciones de corriente y voltaje, cambian con diferentes tipos de sensores, lo que requiere diferentes configuraciones de amplificadores de transimpedancia. ^[5]

Ancho de banda y la estabilidad [ editar ]

Fig. 3. Modelo incremental que muestra la capacitancia del sensor.

La respuesta de frecuencia de un amplificador de transimpedancia es inversamente proporcional a la ganancia establecida por la resistencia de realimentación. Los sensores con los que se utilizan los amplificadores de transimpedancia generalmente tienen más capacidad que la que puede manejar un amplificador operacional. El sensor se puede modelar como una fuente de corriente y un condensador C _i . ^[6] 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 realimentación:

$${\ displaystyle \ beta = {\ frac {1} {1 + R _ {\ text {f}} C _ {\ text {i}} s}},}

Cuando se considera el efecto de esta respuesta de filtro de paso bajo, la ecuación de respuesta del circuito se convierte en:

$${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = I _ {\ text {p}} {\ frac {-R _ {\ text {f}}} {1 + {\ frac {1} {A _ {\ text {OL }} \ beta}}}},}

dónde $${\ displaystyle A _ {\ text {OL}}} es la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional.

A bajas frecuencias, el factor de realimentación β tiene poco efecto en la respuesta del amplificador. La respuesta del amplificador será cercana al ideal:

$${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = - I _ {\ text {p}} R _ {\ text {f}}}

siempre que la ganancia de bucle ,:

$${\ displaystyle A _ {\ text {OL}} \ beta,}

Es mucho mayor que la unidad.

Fig. 4. Diagrama de Bode de un amplificador de transimpedancia no compensado ^[7]

En la gráfica de Bode de un amplificador de transimpedancia sin compensación, la curva plana con el pico, etiquetado 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 amplificadores de transimpedancia no compensados ​​o mal compensados. La curva etiquetada A _OL es la respuesta de bucle abierto del amplificador. El factor de realimentación, graficado como un recíproco, se etiqueta 1 / β. En la Fig. 4, la curva 1 / β y A _OL forman un triángulo equilátero 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 añade del amplificador 180 ° de la fase de inversión de esto, el resultado es un total de 360 ° en el f _iintercepción, indicados por la línea vertical discontinua. En esa intersección, 1 / β = A _OL para una ganancia de bucle de A _OL β = 1. La oscilación ocurrirá en la frecuencia f _i debido al desplazamiento de fase de 360 ​​°, o retroalimentación positiva, y la ganancia unitaria. ^[8] Para mitigar estos efectos, los diseñadores de amplificadores de transimpedancia agregan un condensador de compensación de pequeño valor ( C _fen la figura de arriba) en paralelo con la resistencia de realimentación. Cuando se considera este condensador de realimentación, el factor de realimentación compensado se convierte en

$${\ displaystyle \ beta = {\ frac {1 + R _ {\ text {f}} C _ {\ text {f}} s} {1 + R _ {\ text {f}} (C _ {\ text {i}} + C _ {\ text {f}}) s}}.}

El condensador de realimentación produce un cero, o deflexión en la curva de respuesta, en la frecuencia

$${\ displaystyle f_ {C _ {\ text {f}}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {\ text {f}} C _ {\ text {f}}}}.}

Esto contrarresta el polo producido por C _i a la frecuencia.

$${\ displaystyle f _ {\ text {zf}} = {\ frac {1} {2 \ pi R _ {\ text {f}} (C _ {\ text {i}} + C _ {\ text {f}})} }.}

Fig. 5. Diagrama de Bode del amplificador de transimpedancia compensada ^[9]

La gráfica de Bode de un amplificador de transimpedancia que tiene un condensador de compensación en la trayectoria de realimentación se muestra en la Fig. 5, donde el factor de realimentación compensado representado como un recíproco, 1 / β, comienza a rodar antes de f _i , reduciendo la pendiente en el interceptar. La ganancia del bucle sigue siendo la unidad, pero el cambio de fase total no es de 360 ​​°. 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 la ganancia máxima, produciendo una respuesta general más plana. Hay varios métodos utilizados 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 ocurrir una oscilación. ^[10] Una dificultad con este método de compensación de fase es el pequeño valor resultante del capacitor, y el método iterativo a menudo requerido para optimizar el valor. No existe una fórmula explícita para calcular el valor del condensador que funcione para todos los casos. También se puede usar un método de compensación que usa un capacitor de mayor valor que no es tan susceptible a los efectos parásitos de la capacitancia . ^[11]

Consideraciones de ruido [ editar ]

En la mayoría de los casos prácticos, la fuente dominante de ruido en un amplificador de transimpedancia es la resistencia de realimentación. El ruido de voltaje referido a la salida es directamente el ruido de voltaje sobre la resistencia de realimentación. Este ruido Johnson-Nyquist tiene una amplitud RMS

$${\ displaystyle {\ sqrt {\ overline {v_ {n, out} ^ {2}}}} = {\ sqrt {4k _ {\ text {B}} TR_ {f} \ Delta f}}.}

Aunque la tensión de ruido de salida aumenta proporcionalmente a $${\ displaystyle {\ sqrt {R_ {f}}}}, la transimpedancia aumenta linealmente con $${\ displaystyle R_ {f}}, resultando en una corriente de ruido referida de entrada

$${\ displaystyle {\ sqrt {\ overline {i_ {n, in} ^ {2}}}} = {\ sqrt {\ frac {4k _ {\ text {B}} T \ Delta f} {R_ {f}} }}.}

Para un buen rendimiento de ruido, se debe utilizar una alta resistencia de realimentación. Sin embargo, una mayor resistencia de realimentación aumenta el cambio de voltaje de salida y, en consecuencia, se necesita una mayor ganancia del amplificador operacional, lo que exige un amplificador operacional con un producto de alto ancho de banda de ganancia . La resistencia de realimentación y, por lo tanto, la sensibilidad están limitadas por la frecuencia operativa requerida del amplificador de transimpedancia.

Derivación para TIA con OpAmp [ editar ]

Esquema para el cálculo del ruido de salida del amplificador de transimpedancia con opamp y resistencia de realimentación

La corriente de ruido de la resistencia de realimentación es igual a $${\ displaystyle {\ overline {i_ {n} ^ {2}}} = {\ frac {4k _ {\ text {B}} T \ Delta f} {R_ {f}}}}. Debido a la tierra virtual en la entrada negativa del amplificador$${\ displaystyle {\ overline {v_ {n, out} ^ {2}}} = {R_ {f}} ^ {2} {\ overline {i_ {n} ^ {2}}}} sostiene

Por lo tanto, obtenemos el voltaje de salida de ruido de la raíz cuadrada media (RMS)$${\ displaystyle {\ sqrt {\ overline {v_ {n, out} ^ {2}}}} = {\ sqrt {4k _ {\ text {B}} TR_ {f} \ Delta f}}}. Es deseable una alta resistencia de realimentación porque la transimpedancia del amplificador crece linealmente con la resistencia, pero el ruido de salida solo crece con la raíz cuadrada de la resistencia de realimentación.

factor de atenuación proporciona la relación entre la impedancia nominal del altavoz y la impedancia de la fuente. Solo se utiliza la parte resistiva de la impedancia del altavoz. También se supone que la impedancia de salida del amplificador es totalmente resistiva. La impedancia de la fuente (la que ve el altavoz) incluye la impedancia del cable de conexión. La impedancia de carga $${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {cargar}}}(impedancia de entrada) y la impedancia de la fuente $${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {fuente}}} (impedancia de salida) se muestran en el diagrama.

El factor de amortiguación. $${\ displaystyle DF} es:

$${\ displaystyle DF = {\ frac {Z _ {\ mathrm {load}}} {Z _ {\ mathrm {source}}}} \,}

Resolviendo para $${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {fuente}}}:

$${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {source}} = {\ frac {Z _ {\ mathrm {load}}} {DF}} \,}

Explicación [ editar ]

En los sistemas de altavoces , el valor del factor de atenuación entre un altavoz particular y un amplificadorparticular describe la capacidad del amplificador para controlar el movimiento indeseable del cono del altavoz cerca de la frecuencia resonante del sistema de altavoces. Generalmente se usa en el contexto del comportamiento del controlador de baja frecuencia, y especialmente en el caso de los controladores electrodinámicos, que utilizan un motor magnético para generar las fuerzas que mueven el diafragma .

Los diafragmas de los altavoces tienen masa , y sus alrededores tienen rigidez . Juntos, forman un sistema resonante , y la resonancia del cono mecánico puede ser excitada por señales eléctricas (por ejemplo, pulsos ) en las frecuencias de audio. Pero un conductor con una bobina de voz.También es un generador de corriente, ya que tiene una bobina unida al cono y la suspensión, y esa bobina está inmersa en un campo magnético. Por cada movimiento que realice la bobina, generará una corriente que será vista por cualquier equipo conectado eléctricamente, como un amplificador. De hecho, el circuito de salida del amplificador será la carga eléctrica principal en el "generador de corriente de la bobina de voz". Si esa carga tiene baja resistencia, la corriente será mayor y la bobina de voz se verá obligada a desacelerar. Un alto factor de amortiguación (que requiere una baja impedancia de salida en la salida del amplificador) amortigua muy rápidamente los movimientos no deseados del cono inducidos por la resonancia mecánica del altavoz, actuando como el equivalente de un "freno" en el movimiento de la bobina de voz (al igual que un cortocircuito a través de los terminales de un generador eléctrico rotativo hará que sea muy difícil girarlo). En general, se piensa (aunque no universalmente) que es deseable un control más estricto del movimiento de la bobina de voz, ya que se cree que contribuye a un sonido de mejor calidad.

Un alto factor de atenuación indica que un amplificador tendrá un mayor control sobre el movimiento del cono del altavoz, particularmente en la región de bajos cerca de la frecuencia de resonancia de la resonancia mecánica del conductor. Sin embargo, el factor de amortiguación en cualquier frecuencia particular variará, ya que las bobinas de voz del conductor son impedancias complejas cuyos valores varían con la frecuencia. Además, las características eléctricas de cada bobina de voz cambiarán con la temperatura; los altos niveles de potencia aumentarán la temperatura de la bobina y, por lo tanto, la resistencia. Y finalmente, los cruces pasivos (hechos de inductores, condensadores y resistores relativamente grandes) se encuentran entre el amplificador y los controladores de los altavoces y también afectan el factor de amortiguación, de nuevo de una manera que varía con la frecuencia.

Para amplificadores de potencia de audio , esta fuente de impedancia.$${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {fuente}}}(También: la impedancia de salida ) es generalmente más pequeña que 0.1 ohm (), y desde el punto de vista de la bobina de voz del conductor, es un cortocircuito cercano.

La impedancia de carga nominal del altavoz (impedancia de entrada) de$${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {cargar}}} por lo general es de aproximadamente 4 a 8Ω, aunque hay otros altavoces de impedancia disponibles, a veces tan bajos como 1Ω.

El circuito de amortiguación [ editar ]

El voltaje generado por la bobina móvil en movimiento fuerza la corriente a través de tres resistencias:

• la resistencia de la propia bobina de voz;
• la resistencia del cable de interconexión; y
• La resistencia de salida del amplificador.

Efecto de la resistencia de la bobina de voz [ editar ]

Este es un factor clave para limitar la cantidad de amortiguación que se puede lograr eléctricamente, porque su valor es mayor (digamos entre 4 y 8Ω típicamente) que cualquier otra resistencia en el circuito de salida de un amplificador que no usa un transformador de salida (casi todos amplificador de estado sólido en el mercado de masas).

La corriente de retorno de un altavoz no solo se disipa a través del circuito de salida del amplificador, sino también a través de la resistencia interna del altavoz. Por lo tanto, la elección de diferentes altavoces dará lugar a diferentes factores de amortiguación cuando se acoplan con el mismo amplificador.

Efecto de la resistencia del cable [ editar ]

El factor de amortiguación se ve afectado en cierta medida por la resistencia de los cables de los altavoces. Cuanto mayor sea la resistencia de los cables de los altavoces, menor será el factor de amortiguación. Cuando el efecto es pequeño, se llama puente de voltaje .$${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {cargar}}} >> $${\ displaystyle Z _ {\ mathrm {fuente}}}.

Impedancia de salida del amplificador [ editar ]

Los amplificadores de estado sólido modernos, que utilizan niveles relativamente altos de retroalimentación negativa para controlar la distorsión, tienen impedancias de salida extremadamente bajas, una de las muchas consecuencias de usar retroalimentación, y pequeños cambios en un factor de atenuación general de cambio de valor ya bajo solo en un pequeño, y por lo tanto despreciable, cantidad.

Por lo tanto, los valores altos de factor de amortiguación, por sí solos, no dicen mucho acerca de la calidad de un sistema; La mayoría de los amplificadores modernos los tienen, pero sin embargo varían en calidad. Dada la controversia que ha rodeado durante mucho tiempo el uso de la retroalimentación, ^{[ citación necesaria ]} algunos ^{[ ¿quién? ]} extienden su disgusto por los diseños de amplificadores de retroalimentación negativa (NFB) (y por lo tanto un alto factor de amortiguación) como una marca de calidad deficiente. Para ellos, valores tan altos implican un alto nivel de NFB en el amplificador.

Los amplificadores de tubo suelen tener relaciones de realimentación mucho más bajas y, en cualquier caso, casi siempre tienen transformadores de salida que limitan el nivel de impedancia de salida. Sus menores factores de amortiguación son una de las razones por las que muchos audiófilos prefieren los amplificadores de tubo. Además, algunos amplificadores de tubo están diseñados para no tener NFB.

En la práctica [ editar ]

Los amplificadores modernos típicos de estado sólido con retroalimentación negativa tienden a tener altos factores de atenuación, por encima de 50 y, a veces, por encima de 150. Los factores de alta amortiguación tienden a reducir el grado en que "suena" un altavoz (experimenta una oscilación no deseada a corto plazo después de un impulso de potencia). se aplica), pero el grado en que los factores de amortiguación superiores a aproximadamente 20 ayudan a este respecto es fácilmente exagerado; habrá una resistencia interna efectiva significativa, así como cierta resistencia y reactancia en redes cruzadas y cables de altavoces. Los amplificadores más antiguos, más los triodos modernos e incluso los amplificadores de estado sólido con baja retroalimentación negativa tenderán a tener factores de amortiguación más cercanos a la unidad, o incluso menos de 1 (los amplificadores de muy bajo factor de amortiguación / alta impedancia de salida aproximan las fuentes de corriente).

Las grandes cantidades de amortiguación del altavoz no son necesariamente mejores, ^[1] por ejemplo, una mera diferencia de 0,35 dB en los resultados de la vida real entre un Factor de amortiguación alto (100) y medio (20). ^[2] Algunos ingenieros, incluidos los altavoces de reclamación Nelson Pass, pueden sonar mejor con una menor amortiguación eléctrica. ^[3] Un factor de atenuación menor ayuda a mejorar la respuesta de bajos del altavoz en varios decibeles(donde la impedancia del altavoz sería máxima), lo cual es útil si solo se usa un solo altavoz para todo el rango de audio. Por lo tanto, algunos amplificadores, en particular los amplificadores clásicos de los años 1950, 60 y 70, cuentan con controles para variar el factor de amortiguamiento. Si bien tal "mejora" de bajos puede ser agradable para algunos entusiastas, todavía representa una distorsión de la señal de entrada.

Un ejemplo de un amplificador clásico con control de amortiguación es el Accuphase E-202, que tiene un interruptor de tres posiciones descrito por el siguiente extracto del manual del propietario: ^[4]

"El control de amortiguación de los altavoces mejora las calidades tonales características de los altavoces. El factor de amortiguación de los amplificadores de estado sólido es generalmente muy grande e ideal para amortiguar los altavoces. Sin embargo, algunos altavoces requieren un amplificador con un factor de atenuación bajo para reproducir un sonido rico y de gran cuerpo. El E-202 tiene un control de amortiguación de altavoz que permite la elección de tres factores de amortiguación e induce el máximo rendimiento potencial de cualquier altavoz. El factor de amortiguación con una carga de 8 ohmios es más de 50 cuando este control se establece en NORMAL. Del mismo modo, es 5 en Posición MEDIA y 1 en la posición SOFT. Permite seleccionar el sonido del altavoz que se prefiere ".

Por el contrario, en la amplificación moderna de alta fidelidad, la tendencia es separar la señal de bajos y amplificarla con un amplificador dedicado. A menudo, los amplificadores para bajos se integran con el gabinete del altavoz, una configuración conocida como el subwoofer activo. En una topología que incluye un amplificador dedicado para bajos, el factor de atenuación del amplificador principal no es relevante, y el del amplificador de bajos también es irrelevante si ese amplificador está integrado con el altavoz y el gabinete como una unidad, ya que todos esos componentes son Diseñados juntos y optimizados para la reproducción de bajos.

La amortiguación también es una preocupación en los amplificadores de guitarra (una aplicación en la que es deseable la distorsión) y la amortiguación baja puede ser mejor. Numerosos amplificadores de guitarra tienen controles de amortiguación, y la tendencia a incluir esta característica ha ido en aumento desde los años 90. Por ejemplo, el amplificador estéreo montado en bastidor Marshall Valvestate 8008 ^[5] tiene un interruptor entre el modo "lineal" y "Valvestate":

"Selector lineal / Vstate. Deslice para seleccionar el rendimiento lineal o Valvestate. El modo Valvestate proporciona armónicos cálidos adicionales además de la riqueza del tono, que es exclusivo de la etapa de potencia Valvestate. El modo lineal produce un tono de alta fidelidad altamente definido que brinda un Es un personaje diferente al sonido y se adapta a ciertos estilos modernos de "metal" o aplicaciones de PA.

En realidad, este es un control de atenuación basado en la retroalimentación de corriente negativa, que se desprende del esquema, ^[6] donde el mismo interruptor está etiquetado como "Modo de potencia de salida: corriente / voltaje". El modo "Valvestate" introduce una retroalimentación de corriente negativa que aumenta la impedancia de salida, reduce el factor de amortiguamiento y altera la respuesta de frecuencia, de manera similar a lo que ocurre en un amplificador de tubo. (Al contrario de lo que se afirma en el manual, esta topología de circuito ha aparecido en numerosos amplificadores de guitarra de estado sólido desde la década de 1970).