Transimpedance amplifier
ইলেকট্রনিক্সে, ট্রান্সইম্পিডেন্স এম্প্লিফায়ার (টি. আই. এ) হল একটি বিদ্যুৎ থেকে ভোল্টেজ রূপান্তরকারী, যা প্রায় একচেটিয়াভাবে এক বা একাধিক কার্যকরী পরিবর্ধকগুলির সাথে প্রয়োগ করা হয়। টি. আই. এ ব্যবহার করা যেতে পারে গাইগার-মুলার টিউব, ফটো মাল্টিপ্লায়ার টিউব, অ্যাক্সিলারোমিটার, ফটো ডিটেক্টর এবং অন্যান্য ধরনের সেন্সরের বর্তমান আউটপুটকে ব্যবহারযোগ্য ভোল্টেজে পরিবর্ধিত করতে। বিদ্যুৎ থেকে ভোল্টেজ রূপান্তরকারীগুলি এমন সেন্সরগুলির সাথে ব্যবহার করা হয় যার একটি বর্তমান প্রতিক্রিয়া রয়েছে যা ভোল্টেজ প্রতিক্রিয়ার চেয়ে বেশি রৈখিক। ফটোডায়োডের ক্ষেত্রে এটি ঘটে যেখানে বর্তমান প্রতিক্রিয়ার জন্য আলোর ইনপুটের বিস্তৃত পরিসরে 1 শতাংশের চেয়ে বেশি অরৈখিকতা থাকা অস্বাভাবিক কিছু নয়। ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধক ফটোডিয়ডে একটি কম প্রতিবন্ধকতা উপস্থাপন করে এবং এটিকে কার্যকরী পরিবর্ধকের আউটপুট ভোল্টেজ থেকে পৃথক করে। তার সহজতম আকারে একটি ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকের কেবল একটি বড় মূল্যবান প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধক, আরএফ থাকে। পরিবর্ধকের লাভ এই প্রতিরোধক দ্বারা নির্ধারিত হয় এবং যেহেতু পরিবর্ধকটি একটি উল্টানো বিন্যাসে রয়েছে, তার মান-Rf। ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকগুলির বিভিন্ন কনফিগারেশন রয়েছে, প্রতিটি একটি নির্দিষ্ট প্রয়োগের জন্য উপযুক্ত। তাদের সকলের মধ্যে যে একটি সাধারণ বিষয় রয়েছে তা হল একটি সেন্সরের নিম্ন-স্তরের বিদ্যুৎকে ভোল্টেজে রূপান্তর করার প্রয়োজনীয়তা। লাভ, ব্যান্ডউইথের পাশাপাশি বর্তমান এবং ভোল্টেজ অফসেটগুলি বিভিন্ন ধরনের সেন্সরের সাথে পরিবর্তিত হয়, যার জন্য ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকগুলির বিভিন্ন কনফিগারেশনের প্রয়োজন হয়। ডিসি অপারেশন চিত্র 1-এ দেখানো বর্তনীতে ফটোডিয়োড (বর্তমান উৎস হিসাবে দেখানো হয়েছে) স্থল এবং অপ-অ্যাম্পের বিপরীতমুখী ইনপুটের মধ্যে সংযুক্ত থাকে। অপ-অ্যাম্পের অন্য ইনপুটটিও স্থলভাগের সাথে সংযুক্ত। এটি ফটোডিয়ডের জন্য একটি কম-প্রতিবন্ধকতা লোড প্রদান করে, যা ফটোডিয়ডের ভোল্টেজকে কম রাখে। ফটোডিয়ড কোনও বাহ্যিক পক্ষপাত ছাড়াই ফটোভোলটাইক মোডে কাজ করছে। অপ-অ্যাম্পের উচ্চ লাভ ফটোডিয়োড কারেন্টকে আরএফ-এর মাধ্যমে ফিডব্যাক কারেন্টের সমান রাখে। এই স্ব-পক্ষপাতমূলক ফটোভোলটাইক মোডে ফটোডিয়ডের কারণে ইনপুট অফসেট ভোল্টেজ খুব কম। এটি কোনও বড় আউটপুট অফসেট ভোল্টেজ ছাড়াই একটি বড় লাভের অনুমতি দেয়। এই বিন্যাসটি ফটোডিয়োডগুলির সাথে ব্যবহৃত হয় যা কম আলোর মাত্রা দিয়ে আলোকিত হয় এবং প্রচুর লাভের প্রয়োজন হয়। একটি ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকের ডিসি এবং নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি লাভ সমীকরণ দ্বারা নির্ধারিত হয় তাই যদি লাভটি বড় হয়, তবে অপ-এম্পের নন-ইনভার্টিং ইনপুটের যে কোনও ইনপুট অফসেট ভোল্টেজের ফলে একটি আউটপুট ডিসি অফসেট হবে। অপ-অ্যাম্পের ইনভার্টিং টার্মিনালে একটি ইনপুট বায়াস কারেন্ট একইভাবে একটি আউটপুট অফসেটে পরিণত হবে। এই প্রভাবগুলি হ্রাস করার জন্য, ট্রান্সইম্পিডেন্স এম্প্লিফায়ারগুলি সাধারণত ফিল্ড-এফেক্ট ট্রানজিস্টর (এফইটি) ইনপুট অপ-অ্যাম্পগুলির সাথে ডিজাইন করা হয় যার ইনপুট অফসেট ভোল্টেজ খুব কম থাকে। একটি ইনভার্টিং টি. আই. এ ফটোডিয়োডের সাথেও ব্যবহার করা যেতে পারে যা ফোটোকন্ডাক্টিভ মোডে কাজ করে, যেমন চিত্র 2-এ দেখানো হয়েছে। ফটোডিয়ডের ক্যাথোডে একটি ধনাত্মক ভোল্টেজ বিপরীত পক্ষপাত প্রয়োগ করে। এই বিপরীত পক্ষপাত হ্রাস অঞ্চলের প্রস্থ বৃদ্ধি করে এবং জংশন ধারণক্ষমতা হ্রাস করে, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি কর্মক্ষমতা উন্নত করে। একটি ট্রান্সইম্পিডেন্স ফটোডিয়োড পরিবর্ধকের আলোকপরিবাহী বিন্যাস ব্যবহার করা হয় যেখানে উচ্চতর ব্যান্ডউইথের প্রয়োজন হয়। স্থিতিশীলতা উন্নত করার জন্য সাধারণত ফিডব্যাক ক্যাপাসিটর সিএফ-এর প্রয়োজন হয়। ব্যান্ডউইথ এবং স্থায়িত্ব একটি ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকের ফ্রিকোয়েন্সি প্রতিক্রিয়া প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধক দ্বারা নির্ধারিত লাভের বিপরীত আনুপাতিক। যে সেন্সরগুলি ট্রান্সইম্পিডেন্স এম্প্লিফায়ারগুলির সাথে ব্যবহৃত হয় সেগুলির সাধারণত একটি অপ-অ্যাম্প পরিচালনা করতে পারে তার চেয়ে বেশি ক্যাপাসিট্যান্স থাকে। সেন্সরটিকে একটি বর্তমান উৎস এবং একটি ক্যাপাসিটার সি আই হিসাবে মডেল করা যেতে পারে। অপ-অ্যাম্পের ইনপুট টার্মিনাল জুড়ে এই ক্যাপাসিট্যান্স, যার মধ্যে অপ-অ্যাম্পের অভ্যন্তরীণ ক্যাপাসিট্যান্স রয়েছে, প্রতিক্রিয়া পথে একটি লো-পাস ফিল্টার প্রবর্তন করে। এই ফিল্টারের লো-পাস প্রতিক্রিয়াকে ফিডব্যাক ফ্যাক্টর হিসাবে চিহ্নিত করা যেতে পারেঃ যখন এই লো-পাস ফিল্টার প্রতিক্রিয়ার প্রভাব বিবেচনা করা হয়, তখন সার্কিটের প্রতিক্রিয়া সমীকরণ হয়ে যায়ঃ অপ-অ্যাম্পের ওপেন-লুপ লাভ কোথায়। কম ফ্রিকোয়েন্সিতে ফিডব্যাক ফ্যাক্টর β পরিবর্ধক প্রতিক্রিয়ার উপর খুব কম প্রভাব ফেলে। পরিবর্ধক প্রতিক্রিয়া আদর্শের কাছাকাছি হবেঃ যতক্ষণ লুপ লাভঃ ঐক্যের চেয়ে অনেক বেশি হয়। কোনও ক্ষতিপূরণ ছাড়াই একটি ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকের বোডে প্লটে, আই-টু-ভি লাভ লেবেলযুক্ত শিখর সহ সমতল বক্ররেখা হল ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকের ফ্রিকোয়েন্সি প্রতিক্রিয়া। লাভ বক্ররেখার শিখরটি অসম্পূর্ণ বা দুর্বলভাবে ক্ষতিপূরণ দেওয়া ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকগুলির বৈশিষ্ট্য। এওএল লেবেলযুক্ত বক্ররেখা হল পরিবর্ধকের ওপেন-লুপ প্রতিক্রিয়া। প্রতিক্রিয়া ফ্যাক্টর, একটি পারস্পরিক হিসাবে অঙ্কিত, 1/β লেবেল করা হয়। চিত্রে। 4 1/β বক্ররেখা এবং এওএল ফ্রিকোয়েন্সি অক্ষের সাথে একটি সমদ্বিবাহু ত্রিভুজ গঠন করে। উভয় পক্ষের সমান কিন্তু বিপরীত ঢাল রয়েছে, কারণ একটি প্রথম-ক্রমের মেরু এবং অন্যটি প্রথম-ক্রম শূন্যের ফলাফল। প্রতিটি ঢালের মাত্রা 20 ডিবি/দশক, যা 90° পর্যায় পরিবর্তনের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ। যখন পরিবর্ধকের 180° পর্যায় বিপরীতকরণ যোগ করা হয়, তখন ফলাফলটি ফাই ইন্টারসেপ্টে একটি সম্পূর্ণ 360° হয়, যা ড্যাশ করা উল্লম্ব রেখা দ্বারা নির্দেশিত হয়। সেই বাধায়, এওএলবিটা = 1-এর একটি লুপ লাভের জন্য 1/β = এওএল। 360° ফেজ শিফট বা পজিটিভ ফিডব্যাক এবং ইউনিটি গেইনের কারণে ফ্রিকোয়েন্সি ফাইতে দোলন ঘটবে। এই প্রভাবগুলি হ্রাস করার জন্য, ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকগুলির ডিজাইনাররা প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধকটির সমান্তরালে একটি ছোট-মূল্যের ক্ষতিপূরণকারী ক্যাপাসিটর (উপরের চিত্রে সিএফ) যুক্ত করেন। যখন এই প্রতিক্রিয়া ক্যাপাসিটর বিবেচনা করা হয়, তখন ক্ষতিপূরণ প্রতিক্রিয়া ফ্যাক্টর হয়ে যায় প্রতিক্রিয়া ক্যাপাসিটর ফ্রিকোয়েন্সিতে একটি শূন্য বা প্রতিক্রিয়া বক্ররেখায় বিচ্যুতি তৈরি করে এটি ফ্রিকোয়েন্সিতে সি আই দ্বারা উত্পাদিত মেরুটিকে প্রতিহত করে একটি ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকের বোডে প্লট যার প্রতিক্রিয়া পথে একটি ক্ষতিপূরণ ক্যাপাসিটর রয়েছে চিত্রটিতে দেখানো হয়েছে। 5, যেখানে একটি পারস্পরিক হিসাবে প্লট করা ক্ষতিপূরণ ফিডব্যাক ফ্যাক্টর, 1/β, ফাইয়ের আগে রোল অফ করতে শুরু করে, ইন্টারসেপ্টে ঢাল হ্রাস করে। লুপ লাভটি এখনও একক, তবে মোট ফেজ শিফটটি সম্পূর্ণ 360° নয়। কম্পেনসেশন ক্যাপাসিটর যোগ করার মাধ্যমে দোলন করার প্রয়োজনীয়তাগুলির মধ্যে একটি বাদ দেওয়া হয় এবং তাই সার্কিটের স্থায়িত্ব থাকে। এটি লাভের শীর্ষস্থানকেও হ্রাস করে, যা সামগ্রিকভাবে আরও ভালো প্রতিক্রিয়া তৈরি করে। ক্ষতিপূরণ ক্যাপাসিটরের মান গণনা করার জন্য বেশ কয়েকটি পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়। একটি ক্ষতিপূরণ ক্যাপাসিটর যার খুব বড় মান রয়েছে তা পরিবর্ধকের ব্যান্ডউইথকে হ্রাস করবে। যদি ক্যাপাসিটরটি খুব ছোট হয়, তাহলে দোলন ঘটতে পারে। পর্যায় ক্ষতিপূরণের এই পদ্ধতিতে একটি অসুবিধা হল ক্যাপাসিটরের ফলস্বরূপ ছোট মান, এবং মানটি অনুকূল করার জন্য প্রায়শই পুনরাবৃত্তিমূলক পদ্ধতির প্রয়োজন হয়। ক্যাপাসিটরের মান গণনা করার জন্য কোনও স্পষ্ট সূত্র নেই যা সমস্ত ক্ষেত্রে কাজ করে। একটি ক্ষতিপূরণ পদ্ধতিও ব্যবহার করা যেতে পারে যা একটি বৃহত্তর-মূল্যের ক্যাপাসিটর ব্যবহার করে যা পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স প্রভাবের জন্য সংবেদনশীল নয়। শব্দের বিবেচনা বেশিরভাগ ব্যবহারিক ক্ষেত্রে, ট্রান্সইম্পিডেন্স এম্প্লিফায়ারে শব্দের প্রভাবশালী উৎস হল প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধক। আউটপুট-রেফারেড ভোল্টেজ শব্দটি সরাসরি প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধের উপর ভোল্টেজ শব্দ। এই জনসন-নিউকুইস্ট শব্দের একটি আরএমএস প্রশস্ততা রয়েছে যদিও আউটপুট শব্দের ভোল্টেজ আনুপাতিকভাবে বৃদ্ধি পায়, তবে ট্রান্সইম্পিডেন্স রৈখিকভাবে বৃদ্ধি পায়, যার ফলে একটি ইনপুট-রেফারেড নয়েজ কারেন্ট হয়। যাইহোক, একটি বৃহত্তর প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধ আউটপুট ভোল্টেজ সুইং বৃদ্ধি করে, এবং ফলস্বরূপ অপারেশনাল পরিবর্ধক থেকে একটি উচ্চতর লাভ প্রয়োজন, একটি উচ্চ লাভ-ব্যান্ডউইথ পণ্য সহ একটি অপারেশনাল পরিবর্ধক দাবি করে। প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধ এবং তাই সংবেদনশীলতা এইভাবে ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধকের প্রয়োজনীয় অপারেটিং ফ্রিকোয়েন্সি দ্বারা সীমাবদ্ধ। অপ-অ্যাম্প সহ টি. আই. এ-র জন্য উৎপত্তি প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধকের শব্দ প্রবাহ সমান। এম্প্লিফায়ারের হোল্ডের নেতিবাচক ইনপুটের ভার্চ্যুয়াল গ্রাউন্ডের কারণে। তাই আমরা মূল গড় বর্গক্ষেত্র (আর. এম. এস) শব্দ আউটপুট ভোল্টেজ পাই। একটি উচ্চ প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধক কাম্য কারণ পরিবর্ধকের ট্রান্সইম্পিডেন্স প্রতিরোধের সাথে রৈখিকভাবে বৃদ্ধি পায় তবে আউটপুট শব্দ শুধুমাত্র প্রতিক্রিয়া প্রতিরোধের বর্গমূলের সাথে বৃদ্ধি পায়। পৃথক টি. আই. এ নকশা লাভ উপাদানের জন্য একটি ক্ষেত্র প্রভাব ট্রানজিস্টর ব্যবহার করে পৃথক উপাদানগুলির সাথে একটি ট্রান্সইম্পিডেন্স পরিবর্ধক তৈরি করাও সম্ভব। এটি করা হয়েছে যেখানে খুব কম শব্দের প্রয়োজন ছিল। আরও দেখুন পিন ডায়োড অপটিক্যাল যোগাযোগ উৎস রেফারেন্স এনালগ সার্কিট ইলেকট্রনিক পরিবর্ধক