Transimpedance amplifier
ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં, ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર (ટીઆઇએ) એ કરંટથી વોલ્ટેજ કન્વર્ટર છે, જે લગભગ સંપૂર્ણપણે એક અથવા વધુ ઓપરેશનલ એમ્પ્લીફાયર્સ સાથે લાગુ કરવામાં આવે છે. ટી. આઈ. એ. નો ઉપયોગ ગીગર-મુલર ટ્યુબ, ફોટો મલ્ટિપ્લાયર ટ્યુબ, એક્સેલરોમીટર, ફોટો ડિટેક્ટર અને અન્ય પ્રકારના સેન્સરના વર્તમાન ઉત્પાદનને ઉપયોગી વોલ્ટેજમાં વધારવા માટે થઈ શકે છે. કરંટથી વોલ્ટેજ કન્વર્ટરનો ઉપયોગ સેન્સર સાથે થાય છે જેમાં કરંટ રિસ્પોન્સ હોય છે જે વોલ્ટેજ રિસ્પોન્સ કરતાં વધુ રેખીય હોય છે. આ ફોટોડાયોડ્સનો કેસ છે જ્યાં પ્રકાશના ઇનપુટની વિશાળ શ્રેણી પર વર્તમાન પ્રતિભાવમાં 1 ટકાથી વધુ બિનરેખીયતા હોય તે અસામાન્ય નથી. ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર ફોટોડાયોડને ઓછો અવરોધ રજૂ કરે છે અને તેને ઓપરેશનલ એમ્પ્લીફાયરના આઉટપુટ વોલ્ટેજથી અલગ કરે છે. તેના સૌથી સરળ સ્વરૂપમાં ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરમાં માત્ર એક મોટો મૂલ્યવાન પ્રતિસાદ પ્રતિરોધક, આરએફ હોય છે. એમ્પ્લીફાયરનો ગેઇન આ રેઝિસ્ટર દ્વારા સેટ કરવામાં આવે છે અને કારણ કે એમ્પ્લીફાયર ઊંધી ગોઠવણીમાં છે, તેનું મૂલ્ય-Rf છે. ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર્સની ઘણી જુદી જુદી રૂપરેખાંકનો છે, જે દરેક ચોક્કસ એપ્લિકેશન માટે યોગ્ય છે. તે બધામાં એક સમાન પરિબળ એ છે કે સેન્સરના નિમ્ન-સ્તરના પ્રવાહને વોલ્ટેજમાં રૂપાંતરિત કરવાની જરૂરિયાત છે. ગેઇન, બેન્ડવિડ્થ, તેમજ કરંટ અને વોલ્ટેજ ઓફસેટ વિવિધ પ્રકારના સેન્સર સાથે બદલાય છે, જેમાં ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર્સના વિવિધ રૂપરેખાંકનોની જરૂર પડે છે. ડીસી કામગીરી આકૃતિ 1 માં બતાવેલ સર્કિટમાં ફોટોડાયોડ (વર્તમાન સ્રોત તરીકે દર્શાવેલ) ઓપ-એમ્પના ગ્રાઉન્ડ અને ઇન્વર્ટિંગ ઇનપુટ વચ્ચે જોડાયેલ છે. ઑપ-એમ્પનું અન્ય ઇનપુટ પણ જમીન સાથે જોડાયેલું છે. આ ફોટોડાયોડ માટે ઓછો અવરોધ ભાર પૂરો પાડે છે, જે ફોટોડાયોડ વોલ્ટેજ ઓછો રાખે છે. ફોટોડાયોડ કોઈ બાહ્ય પૂર્વગ્રહ વિના ફોટોવોલ્ટેઇક સ્થિતિમાં કાર્યરત છે. ઓપ-એમ્પનો ઊંચો લાભ ફોટોડાયોડ પ્રવાહને આરએફ દ્વારા પ્રતિસાદ પ્રવાહની બરાબર રાખે છે. આ સ્વ-પક્ષપાતી ફોટોવોલ્ટેઇક સ્થિતિમાં ફોટોડાયોડને કારણે ઇનપુટ ઓફસેટ વોલ્ટેજ ખૂબ ઓછો છે. આ કોઈપણ મોટા આઉટપુટ ઓફસેટ વોલ્ટેજ વિના મોટા લાભની મંજૂરી આપે છે. આ રૂપરેખાંકનનો ઉપયોગ ફોટોડાયોડ્સ સાથે થાય છે જે ઓછા પ્રકાશ સ્તરથી પ્રકાશિત થાય છે અને તેમાં ઘણો લાભ જરૂરી હોય છે. ટ્રાન્સિમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરનો ડીસી અને લો-ફ્રિક્વન્સી ગેઇન સમીકરણ દ્વારા નક્કી થાય છે તેથી જો ગેઇન મોટો હોય, તો ઑપ-એમ્પના નોન-ઇન્વર્ટિંગ ઇનપુટ પર કોઈપણ ઇનપુટ ઓફસેટ વોલ્ટેજ આઉટપુટ ડીસી ઓફસેટમાં પરિણમશે. ઓપ-એમ્પના ઇન્વર્ટિંગ ટર્મિનલ પર ઇનપુટ બાયસ કરંટ એ જ રીતે આઉટપુટ ઓફસેટમાં પરિણમશે. આ અસરોને ઘટાડવા માટે, ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર્સ સામાન્ય રીતે ફિલ્ડ-ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર (FET) ઇનપુટ ઓપ-એમ્પ્સ સાથે ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે જેમાં ખૂબ ઓછા ઇનપુટ ઓફસેટ વોલ્ટેજ હોય છે. આકૃતિ 2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ફોટોકોન્ડક્ટિવ મોડમાં કાર્યરત ફોટોડાયોડ સાથે ઊંધી ટી. આઈ. એ. નો પણ ઉપયોગ કરી શકાય છે. ફોટોડાયોડના કેથોડ પર હકારાત્મક વોલ્ટેજ વિપરીત પૂર્વગ્રહ લાગુ કરે છે. આ રિવર્સ બાયસ અવક્ષય ક્ષેત્રની પહોળાઈમાં વધારો કરે છે અને જંકશન કેપેસિટીન્સને ઘટાડે છે, જેનાથી ઉચ્ચ આવર્તન કામગીરીમાં સુધારો થાય છે. જ્યાં ઉચ્ચ બેન્ડવિડ્થ જરૂરી હોય ત્યાં ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ ફોટોડાયોડ એમ્પ્લીફાયરનું ફોટોકોન્ડક્ટિવ રૂપરેખાંકન વપરાય છે. સામાન્ય રીતે સ્થિરતા સુધારવા માટે ફીડબેક કેપેસિટર Cf જરૂરી હોય છે. બેન્ડવિડ્થ અને સ્થિરતા ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરનો આવર્તન પ્રતિસાદ પ્રતિસાદ પ્રતિરોધક દ્વારા નિર્ધારિત ગેઇનના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર્સ સાથે ઉપયોગમાં લેવાતા સેન્સરમાં સામાન્ય રીતે ઓપ-એમ્પ હેન્ડલ કરી શકે તેના કરતા વધુ કેપેસિટન્સ હોય છે. સેન્સરને વર્તમાન સ્રોત અને કેપેસિટર Ci તરીકે મોડેલિંગ કરી શકાય છે. ઓપ-એમ્પના ઇનપુટ ટર્મિનલ્સમાં આ કેપેસિટન્સ, જેમાં ઓપ-એમ્પની આંતરિક કેપેસિટન્સનો સમાવેશ થાય છે, ફીડબેક પાથમાં લો-પાસ ફિલ્ટર રજૂ કરે છે. આ ફિલ્ટરના લો-પાસ પ્રતિસાદને પ્રતિસાદ પરિબળ તરીકે વર્ગીકૃત કરી શકાય છેઃ જ્યારે આ લો-પાસ ફિલ્ટર પ્રતિસાદની અસરને ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે, ત્યારે સર્કિટનું પ્રતિસાદ સમીકરણ બને છેઃ ઓપ-એમ્પનો ઓપન-લૂપ ગેઇન ક્યાં છે. ઓછી આવર્તન પર પ્રતિક્રિયા પરિબળ β એ એમ્પ્લીફાયર પ્રતિસાદ પર ઓછી અસર કરે છે. એમ્પ્લીફાયર રિસ્પોન્સ આદર્શની નજીક હશેઃ જ્યાં સુધી લૂપ ગેઇનઃ યુનિટી કરતા ઘણો વધારે છે. કોઈ વળતર વિના ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરના બોડે પ્લોટમાં, I-to-V ગેઇન લેબલ થયેલ ટોચ સાથેનો સપાટ વળાંક એ ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરનો આવર્તન પ્રતિસાદ છે. ગેઇન કર્વનું શિખર વળતર વિનાના અથવા નબળી વળતર ધરાવતા ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર્સની લાક્ષણિકતા છે. એઓએલ લેબલ થયેલ વળાંક એ એમ્પ્લીફાયરનો ઓપન-લૂપ પ્રતિસાદ છે. પ્રતિક્રિયા પરિબળ, જેને પારસ્પરિક તરીકે આલેખિત કરવામાં આવ્યું છે, તેને 1/β લેબલ કરવામાં આવ્યું છે. આકૃતિમાં. 4 એ 1/β વળાંક અને એઓએલ આવર્તન અક્ષ સાથે સમદ્વિબાહુ ત્રિકોણ બનાવે છે. બંને બાજુઓ સમાન પરંતુ વિરુદ્ધ ઢોળાવ ધરાવે છે, કારણ કે એક પ્રથમ ક્રમના ધ્રુવનું પરિણામ છે, અને અન્ય પ્રથમ ક્રમના શૂન્યનું પરિણામ છે. દરેક ઢોળાવની તીવ્રતા 20 ડી. બી./દાયકાની હોય છે, જે 90°ના ફેઝ શિફ્ટને અનુરૂપ હોય છે. જ્યારે એમ્પ્લીફાયરનું 180° ફેઝ ઇન્વર્ઝન આમાં ઉમેરવામાં આવે છે, ત્યારે પરિણામ ફાઈ ઇન્ટરસેપ્ટ પર સંપૂર્ણ 360° હોય છે, જે ડેશ કરેલી ઊભી રેખા દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે. તે અવરોધન સમયે, AOLβ = 1 ના લૂપ ગેઇન માટે 1/β = AOL. 360° ફેઝ શિફ્ટ અથવા પોઝિટિવ ફીડબેક અને યુનિટી ગેઇનને કારણે આવર્તન ફાઈ પર ઓસિલેશન થશે. આ અસરોને ઘટાડવા માટે, ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયર્સના ડિઝાઇનરો પ્રતિસાદ પ્રતિરોધકની સમાંતર નાના-મૂલ્યનું વળતર આપનાર કેપેસિટર (ઉપરની આકૃતિમાં Cf) ઉમેરે છે. જ્યારે આ પ્રતિક્રિયા સંધારિત્રને ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે, ત્યારે વળતર પ્રતિસાદ પરિબળ બની જાય છે પ્રતિક્રિયા સંધારિત્ર આવર્તન પર શૂન્ય અથવા પ્રતિક્રિયા વળાંકમાં વળાંક ઉત્પન્ન કરે છે આ આવર્તન પર Ci દ્વારા ઉત્પાદિત ધ્રુવનો પ્રતિકાર કરે છે પ્રતિક્રિયા માર્ગમાં વળતર સંધારિત્ર ધરાવતા ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરનો બોડે પ્લોટ આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યો છે. 5, જ્યાં વળતર પ્રતિસાદ પરિબળ પારસ્પરિક તરીકે આલેખિત થાય છે, 1/β, ફાઈ પહેલાં બંધ થવાનું શરૂ કરે છે, જે અવરોધન પર ઢોળાવ ઘટાડે છે. લૂપ ગેઇન હજી પણ એકતા છે, પરંતુ કુલ ફેઝ શિફ્ટ સંપૂર્ણ 360° નથી. દોલન માટેની જરૂરિયાતોમાંથી એક વળતર કેપેસિટરના ઉમેરા સાથે દૂર કરવામાં આવે છે, અને તેથી સર્કિટમાં સ્થિરતા હોય છે. આ લાભની ટોચમર્યાદાને પણ ઘટાડે છે, જેનાથી એકંદરે સારો પ્રતિસાદ મળે છે. વળતર કેપેસિટરના મૂલ્યની ગણતરી કરવા માટે ઘણી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ થાય છે. ખૂબ મોટું મૂલ્ય ધરાવતું વળતર કેપેસિટર એમ્પ્લીફાયરની બેન્ડવિડ્થ ઘટાડશે. જો કેપેસિટર ખૂબ નાનું હોય, તો ઓસિલેશન થઈ શકે છે. તબક્કાના વળતરની આ પદ્ધતિમાં એક મુશ્કેલી એ છે કેપેસિટરનું પરિણામી નાનું મૂલ્ય, અને મૂલ્યને શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટે ઘણીવાર પુનરાવર્તિત પદ્ધતિની જરૂર પડે છે. કેપેસિટર મૂલ્યની ગણતરી માટે કોઈ સ્પષ્ટ સૂત્ર નથી જે તમામ કિસ્સાઓમાં કામ કરે છે. એક વળતર પદ્ધતિનો પણ ઉપયોગ કરી શકાય છે જે મોટા મૂલ્યના કેપેસિટરનો ઉપયોગ કરે છે જે પરોપજીવી કેપેસિટન્સ અસરો માટે સંવેદનશીલ નથી. ઘોંઘાટની વિચારણાઓ મોટાભાગના વ્યવહારુ કિસ્સાઓમાં, ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરમાં ઘોંઘાટનો પ્રબળ સ્રોત પ્રતિસાદ પ્રતિરોધક છે. આઉટપુટ-સંદર્ભિત વોલ્ટેજ અવાજ એ પ્રતિસાદ પ્રતિકાર પરનો સીધો વોલ્ટેજ અવાજ છે. આ જ્હોન્સન-ન્યક્વિસ્ટ અવાજમાં આર. એમ. એસ. કંપનવિસ્તાર હોય છે, જો કે આઉટપુટ અવાજ વોલ્ટેજ આનુપાતિક રીતે વધે છે, ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ સાથે રેખીય રીતે વધે છે, પરિણામે ઇનપુટ-સંદર્ભિત અવાજ પ્રવાહમાં પરિણમે છે. જો કે, મોટા પ્રતિસાદ પ્રતિકાર આઉટપુટ વોલ્ટેજ સ્વિંગમાં વધારો કરે છે, અને પરિણામે ઓપરેશનલ એમ્પ્લીફાયરમાંથી વધુ ગેઇન જરૂરી છે, જે ઉચ્ચ ગેઇન-બેન્ડવિડ્થ પ્રોડક્ટ સાથે ઓપરેશનલ એમ્પ્લીફાયરની માંગ કરે છે. પ્રતિક્રિયા પ્રતિકાર અને તેથી સંવેદનશીલતા આમ ટ્રાન્સઇમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરની જરૂરી ઓપરેટિંગ આવર્તન દ્વારા મર્યાદિત છે. ઑપ-એમ્પ સાથે ટી. આઈ. એ. માટે વ્યુત્પત્તિ પ્રતિક્રિયા પ્રતિરોધકનો ઘોંઘાટ પ્રવાહ બરાબર છે. એમ્પ્લીફાયર હોલ્ડ્સના નેગેટિવ ઇનપુટ પર વર્ચ્યુઅલ ગ્રાઉન્ડને કારણે. તેથી આપણે રૂટ મીન સ્ક્વેર (આર. એમ. એસ.) નોઇઝ આઉટપુટ વોલ્ટેજ મેળવીએ છીએ. ઉચ્ચ પ્રતિસાદ પ્રતિરોધક ઇચ્છનીય છે કારણ કે એમ્પ્લીફાયરનું ટ્રાન્સઇમ્પેડન્સ પ્રતિકાર સાથે રેખીય રીતે વધે છે પરંતુ આઉટપુટ અવાજ માત્ર પ્રતિસાદ પ્રતિકારના વર્ગમૂળ સાથે વધે છે. ડિસ્ક્રીટ ટી. આઈ. એ. ડિઝાઇન ગેઇન એલિમેન્ટ માટે ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો ઉપયોગ કરીને ડિસ્ક્રીટ ઘટકો સાથે ટ્રાન્સિમ્પિડન્સ એમ્પ્લીફાયરનું નિર્માણ કરવું પણ શક્ય છે. આ ત્યાં કરવામાં આવ્યું છે જ્યાં ખૂબ ઓછા અવાજની જરૂર હતી. પિન ડાયોડ ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન સોર્સ સંદર્ભો એનાલોગ સર્કિટ ઇલેક્ટ્રોનિક એમ્પ્લીફાયર્સ પણ જુઓ.