Схемы трансимпедансных усилителей часто используются для преобразования тока фотодиодов в сигнал напряжения. В обычном трансимпедансном усилителе, схема которого приведена на Рисунке 1, коэффициент преобразования тока в напряжение задается величиной сопротивления резистора обратной связи RF. Очевидно, что если пренебречь неидеальностью операционного усилителя, точность преобразования I/V связана с сопротивлением этого резистора RF – как с его абсолютным значением, так и с температурным коэффициентом.
 |
|
| Рисунок 1. | Классический трансимпедансный усилитель для преобразования тока фотодиода. Коэффициент преобразования тока в напряжение задается резистором RF. |
Можно воспользоваться высокоточными тонкопленочными резисторами – одиночными, или собранными в согласованные матрицы. В обоих случаях типичный допуск сопротивлений имеющихся в продаже прецизионных резисторов составляет ±0.1%, а разброс их отношений лежит в диапазоне 0.02% … 0.05%. Однако легко может оказаться, что цена таких компонентов будет доминировать в расходах на схему и окажется выше, чем у малошумящих прецизионных операционных усилителей (ОУ) с малым напряжением смещения. В этой статье представлен альтернативный подход.
В монолитные инструментальные усилители (ИУ) на трех ОУ обычно интегрированы прецизионные резисторы с лазерной подгонкой, имеющие высокую точность абсолютных и относительных значений сопротивлений элементов обратной связи первого каскада и резисторов, окружающих выходной дифференциальный усилитель. (Для примера, посмотрите характеристики AD620 [1] или INA129 [2]). Полные ошибки величины и нелинейности коэффициента усиления могут составлять всего ±0.01% и ±0.001%, соответственно. Температурный коэффициент также очень мал и имеет порядок десятков ppm/K.
 |
|
| Рисунок 2. | В инструментальный усилитель интегрированы прецизионные согласованные резисторы. Типичные допуски сопротивлений резисторов обратной связи RF составляют ±0.01%. Такое включение превращает ИА в трансимпедансный усилитель для преобразования сигнала фотодиода с передаточным сопротивлением 2 × RF. |
Обычно схема интегрального ИУ выглядит так, как изображено на Рисунке 2. Показанная конфигурация связей позволяет реализовать высокоточный преобразователь ток-напряжение с передаточным сопротивлением, зависящим лишь от сопротивлений резисторов RF входных каскадов инструментального усилителя. Действительно, видно, что если не учитывать пренебрежимо малые токи смещения инвертирующих входов усилителей OA1 и OA2, один и тот же ток фотодиода IPH течет только через два резистора обратной связи RF. Поскольку выводы IN+ и IN- подключены к земле, напряжения на входах дифференциального усилителя OA3 будут равны RF × IPH и –RF × IPH. Выходное напряжение VO инструментального усилителя равно:
VO = 2 × RF × IPH (1)
где IPH – фототок фотодиода.
Когда ток IPH течет в направлении, указанном стрелкой на Рисунке 2, выходное напряжение VO будет положительным.
Если для работы фотодиода требуется напряжение смещения, компонент может быть подключен между выводами G1 и G2 с полярностью, противоположной по отношению к показанной на Рисунке 2. При этом напряжение смещения VBIAS может быть приложено к входу IN- усилителя OA1, находящемуся практически под тем же потенциалом, который поддерживается усилителем OA1 на катоде детектора. Если это же напряжение приложено к входу REF инструментального усилителя, Уравнение (1) все равно остается справедливым, хотя при этом необходимо учитывать допустимую амплитуду синфазного напряжения на входах инструментального усилителя.
В типичном случае выходное напряжение VO схемы изменяется в диапазоне от нескольких милливольт до нескольких вольт. Коэффициент усиления схемы фиксирован, но для многих приложений это не имеет значения. Если же потребуется обойти это ограничение, после схемы на Рисунке 2 можно дополнительно включить прецизионный усилитель с программируемым усилением, например, PGA204 [3].
Купить INA129 на РадиоЛоцман.Цены
