Transimpedance amplifier
الیکٹرانکس میں، ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائر (ٹی آئی اے) ایک کرنٹ سے وولٹیج کنورٹر ہے، جسے تقریبا خصوصی طور پر ایک یا زیادہ آپریشنل ایمپلیفائرز کے ساتھ لاگو کیا جاتا ہے۔ ٹی آئی اے کا استعمال گیگر-مولر ٹیوبوں، فوٹو ملٹی پلائر ٹیوبوں، ایکسلرومیٹرز، فوٹو ڈیٹیکٹرز اور دیگر قسم کے سینسرز کی موجودہ پیداوار کو قابل استعمال وولٹیج میں بڑھانے کے لیے کیا جا سکتا ہے۔ کرنٹ سے وولٹیج کنورٹر ایسے سینسرز کے ساتھ استعمال ہوتے ہیں جن میں کرنٹ رسپانس ہوتا ہے جو وولٹیج رسپانس سے زیادہ لکیری ہوتا ہے۔ فوٹوڈیوڈس کے معاملے میں ایسا ہوتا ہے جہاں موجودہ ردعمل کے لیے روشنی کے ان پٹ کی وسیع رینج پر 1 فیصد سے بہتر غیر لکیری ہونا کوئی غیر معمولی بات نہیں ہے۔ ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائر فوٹوڈیوڈ کو کم امپیڈینس پیش کرتا ہے اور اسے آپریشنل ایمپلیفائر کے آؤٹ پٹ وولٹیج سے الگ کرتا ہے۔ اپنی آسان ترین شکل میں ایک ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائر میں صرف ایک بڑا قابل قدر فیڈ بیک ریزسٹر، آر ایف ہوتا ہے۔ یمپلیفائر کا فائدہ اس مزاحم کے ذریعہ مقرر کیا جاتا ہے اور چونکہ ایمپلیفائر الٹا ترتیب میں ہوتا ہے، اس کی قیمت-Rf ہوتی ہے۔ ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائرز کی کئی مختلف ترتیبات ہیں، جن میں سے ہر ایک ایک مخصوص ایپلی کیشن کے لیے موزوں ہے۔ ان سب میں جو ایک عنصر مشترک ہے وہ سینسر کے نچلے درجے کے کرنٹ کو وولٹیج میں تبدیل کرنے کی ضرورت ہے۔ گین، بینڈوڈتھ کے ساتھ ساتھ کرنٹ اور وولٹیج آفسیٹ مختلف قسم کے سینسرز کے ساتھ بدلتے ہیں، جن کے لیے ٹرانسمیپڈینس ایمپلیفائرز کی مختلف ترتیبات کی ضرورت ہوتی ہے۔ ڈی سی آپریشن شکل 1 میں دکھائے گئے سرکٹ میں فوٹوڈیوڈ (موجودہ ماخذ کے طور پر دکھایا گیا ہے) زمین اور اوپ-ایمپ کے الٹا ان پٹ کے درمیان جڑا ہوا ہے۔ اوپ-ایمپ کا دوسرا ان پٹ بھی زمین سے منسلک ہوتا ہے۔ یہ فوٹوڈیوڈ کے لیے کم رکاوٹ کا بوجھ فراہم کرتا ہے، جو فوٹوڈیوڈ وولٹیج کو کم رکھتا ہے۔ فوٹوڈیوڈ بغیر کسی بیرونی تعصب کے فوٹو وولٹک موڈ میں کام کر رہا ہے۔ اوپی-ایمپ کا زیادہ فائدہ فوٹوڈیوڈ کرنٹ کو آر ایف کے ذریعے فیڈ بیک کرنٹ کے برابر رکھتا ہے۔ اس سیلف بائیسڈ فوٹو وولٹک موڈ میں فوٹوڈیوڈ کی وجہ سے ان پٹ آفسیٹ وولٹیج بہت کم ہے۔ یہ کسی بھی بڑے آؤٹ پٹ آفسیٹ وولٹیج کے بغیر بڑے فائدہ کی اجازت دیتا ہے۔ یہ ترتیب فوٹوڈیوڈس کے ساتھ استعمال ہوتی ہے جو کم روشنی کی سطح کے ساتھ روشن ہوتے ہیں اور بہت زیادہ فائدہ کی ضرورت ہوتی ہے۔ ٹرانسمپیڈینس ایمپلیفائر کا ڈی سی اور کم فریکوئنسی گین کا تعین مساوات کے ذریعے کیا جاتا ہے لہذا اگر گین بڑا ہے، تو آپ-ایمپ کے نان-انورٹنگ ان پٹ پر کسی بھی ان پٹ آفسیٹ وولٹیج کے نتیجے میں آؤٹ پٹ ڈی سی آفسیٹ ہوگا۔ اوپ-ایمپ کے الٹا ٹرمینل پر ایک ان پٹ بائیس کرنٹ اسی طرح آؤٹ پٹ آفسیٹ کا نتیجہ ہوگا۔ ان اثرات کو کم سے کم کرنے کے لیے، ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائرز کو عام طور پر فیلڈ ایفیکٹ ٹرانجسٹر (ایف ای ٹی) ان پٹ اوپی ایمپس کے ساتھ ڈیزائن کیا جاتا ہے جن میں بہت کم ان پٹ آفسیٹ وولٹیج ہوتے ہیں۔ الٹا کرنے والا ٹی آئی اے فوٹو کنڈکٹو موڈ میں کام کرنے والے فوٹوڈیوڈ کے ساتھ بھی استعمال کیا جا سکتا ہے، جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے۔ فوٹوڈیوڈ کے کیتھوڈ پر ایک مثبت وولٹیج الٹا تعصب کا اطلاق کرتا ہے۔ یہ الٹا تعصب کمی کے علاقے کی چوڑائی کو بڑھاتا ہے اور جنکشن کی صلاحیت کو کم کرتا ہے، جس سے اعلی تعدد کی کارکردگی بہتر ہوتی ہے۔ ٹرانس امپیڈینس فوٹوڈیوڈ ایمپلیفائر کی فوٹو کنڈکٹو ترتیب کا استعمال کیا جاتا ہے جہاں زیادہ بینڈوتھ کی ضرورت ہوتی ہے۔ فیڈ بیک کیپسیٹر سی ایف عام طور پر استحکام کو بہتر بنانے کے لیے درکار ہوتا ہے۔ بینڈوڈتھ اور استحکام ٹرانسمپیڈینس ایمپلیفائر کا فریکوئنسی رسپانس فیڈ بیک ریزسٹر کے مقرر کردہ گین کے الٹا متناسب ہوتا ہے۔ وہ سینسر جو ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائرز کے ساتھ استعمال ہوتے ہیں ان میں عام طور پر اس سے زیادہ صلاحیت ہوتی ہے جو آپ-ایمپ سنبھال سکتا ہے۔ سینسر کو موجودہ ماخذ اور کیپسیٹر سی آئی کے طور پر بنایا جا سکتا ہے۔ اوپ-ایمپ کے ان پٹ ٹرمینلز میں یہ کیپسیٹنس، جس میں اوپ-ایمپ کی اندرونی کیپسیٹنس شامل ہے، فیڈ بیک پاتھ میں لو پاس فلٹر متعارف کراتا ہے۔ اس فلٹر کے لو پاس رسپانس کو فیڈ بیک فیکٹر کے طور پر نمایاں کیا جا سکتا ہے: جب اس لو پاس فلٹر رسپانس کے اثر پر غور کیا جاتا ہے، تو سرکٹ کا رسپانس مساوات بن جاتا ہے: آپ ایمپ کا اوپن لوپ گین کہاں ہے۔ کم تعدد پر فیڈ بیک فیکٹر β کا امپلیفائر کے ردعمل پر بہت کم اثر پڑتا ہے۔ یمپلیفائر رسپانس آئیڈیل کے قریب ہوگا: جب تک کہ لوپ گین: یونٹی سے بہت زیادہ ہو۔ بغیر کسی معاوضے کے ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائر کے بوڈ پلاٹ میں، چوٹی کے ساتھ فلیٹ وکر، جسے I-to-V گین کا لیبل لگایا گیا ہے، ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائر کا فریکوئنسی رسپانس ہے۔ گائن وکر کا عروج غیر معاوضہ یا ناقص معاوضہ والے ٹرانس امپڈینس ایمپلیفائرز کی خصوصیت ہے۔ اے او ایل کا لیبل لگا ہوا وکر یمپلیفائر کا اوپن لوپ رسپانس ہے۔ فیڈ بیک فیکٹر، جسے باہمی طور پر پلاٹ کیا گیا ہے، کو 1/β لیبل کیا گیا ہے۔ شکل میں۔ 4 1/β منحنی خطوط اور AOL تعدد محور کے ساتھ ایک آئسوسیلز مثلث بناتے ہیں۔ دونوں اطراف میں برابر لیکن مخالف ڈھلوان ہیں، کیونکہ ایک فرسٹ آرڈر پول کا نتیجہ ہے، اور دوسرا فرسٹ آرڈر صفر کا۔ ہر ڈھلوان کی شدت 20 ڈی بی/دہائی ہوتی ہے، جو 90 ڈگری کی فیز شفٹ سے مطابقت رکھتی ہے۔ جب ایمپلیفائر کا 180° فیز انورژن اس میں شامل کیا جاتا ہے، تو نتیجہ فائی انٹرسیپٹ پر مکمل 360° ہوتا ہے، جو ڈیشڈ عمودی لکیر سے ظاہر ہوتا ہے۔ اس انٹرسیپٹ پر، AOLβ = 1 کے لوپ گین کے لیے 1/β = AOL۔ 360° فیز شفٹ، یا مثبت فیڈ بیک، اور اتحاد کے حصول کی وجہ سے تعدد فائی پر ارتعاش ہوگا۔ ان اثرات کو کم کرنے کے لیے، ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائرز کے ڈیزائنرز فیڈ بیک ریزسٹر کے متوازی میں ایک چھوٹی قیمت کا معاوضہ دینے والا کیپسیٹر (اوپر کی شکل میں سی ایف) شامل کرتے ہیں۔ جب اس فیڈ بیک کیپسیٹر پر غور کیا جاتا ہے، تو معاوضہ فیڈ بیک فیکٹر بن جاتا ہے۔ فیڈ بیک کیپسیٹر فریکوئنسی پر رسپانس وکر میں صفر، یا انحراف پیدا کرتا ہے۔ یہ فریکوئنسی پر Ci کے ذریعہ تیار کردہ پول کا مقابلہ کرتا ہے۔ ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائر کا بوڈ پلاٹ جس میں فیڈ بیک پاتھ میں معاوضہ کیپسیٹر ہوتا ہے، شکل میں دکھایا گیا ہے۔ 5، جہاں معاوضہ فیڈ بیک فیکٹر ایک باہمی کے طور پر پلاٹ کیا گیا ہے، 1/β، فائی سے پہلے رول آف کرنا شروع کر دیتا ہے، جس سے انٹرسیپٹ پر ڈھلوان کم ہو جاتا ہے۔ لوپ گین اب بھی یونٹی ہے، لیکن کل فیز شفٹ مکمل 360° نہیں ہے۔ ارتعاش کی ضروریات میں سے ایک کو معاوضہ کیپسیٹر کے اضافے کے ساتھ ختم کر دیا جاتا ہے، اور اس طرح سرکٹ میں استحکام ہوتا ہے۔ اس سے فائدہ کی چوٹی کو بھی کم کیا جاتا ہے، جس سے مجموعی طور پر بہتر ردعمل پیدا ہوتا ہے۔ معاوضہ کیپسیٹر کی قیمت کا حساب لگانے کے لیے کئی طریقے استعمال کیے جاتے ہیں۔ ایک معاوضہ کیپسیٹر جس کی قیمت بہت زیادہ ہے، یمپلیفائر کی بینڈوتھ کو کم کر دے گا۔ اگر کیپسیٹر بہت چھوٹا ہے، تو ارتعاش ہو سکتا ہے۔ مرحلے کے معاوضے کے اس طریقہ کار میں ایک دشواری کیپسیٹر کی نتیجے میں چھوٹی قیمت ہے، اور قدر کو بہتر بنانے کے لیے اکثر تکراری طریقہ درکار ہوتا ہے۔ کیپسیٹر کی قیمت کا حساب لگانے کے لیے کوئی واضح فارمولا نہیں ہے جو تمام معاملات کے لیے کام کرتا ہو۔ ایک معاوضہ کا طریقہ جو ایک بڑے قیمت والے کیپسیٹر کا استعمال کرتا ہے جو پرجیوی کیپسیٹنس اثرات کے لیے اتنا حساس نہیں ہے، بھی استعمال کیا جا سکتا ہے۔ شور پر غور زیادہ تر عملی معاملات میں، ٹرانس امپیڈینس ایمپلیفائر میں شور کا غالب ذریعہ فیڈ بیک ریزسٹر ہوتا ہے۔ آؤٹ پٹ حوالہ شدہ وولٹیج شور براہ راست فیڈ بیک مزاحمت پر وولٹیج شور ہے۔ اس جانسن-نائکوسٹ شور میں آر ایم ایس طول و عرض ہوتا ہے۔ اگرچہ آؤٹ پٹ شور وولٹیج متناسب طور پر بڑھتا ہے، ٹرانسمیپڈینس کے ساتھ لکیری طور پر بڑھتا ہے، جس کے نتیجے میں ان پٹ حوالہ شور کرنٹ ہوتا ہے۔ ایک اچھی شور کی کارکردگی کے لیے، اس طرح ایک اعلی فیڈ بیک مزاحمت کا استعمال کیا جانا چاہیے۔ تاہم، ایک بڑی فیڈ بیک مزاحمت آؤٹ پٹ وولٹیج سوئنگ میں اضافہ کرتی ہے، اور اس کے نتیجے میں آپریشنل ایمپلیفائر سے زیادہ فائدہ کی ضرورت ہوتی ہے، جس میں اعلی گین بینڈوڈتھ پروڈکٹ کے ساتھ آپریشنل ایمپلیفائر کا مطالبہ ہوتا ہے۔ فیڈ بیک مزاحمت اور اس وجہ سے حساسیت اس طرح ٹرانسمیپڈینس ایمپلیفائر کی مطلوبہ آپریٹنگ فریکوئنسی سے محدود ہے۔ اوپی ایمپ کے ساتھ ٹی آئی اے کے لیے مشتق فیڈ بیک ریزسٹر کا شور کرنٹ برابر ہوتا ہے۔ ایمپلیفائر ہولڈز کے منفی ان پٹ پر ورچوئل گراؤنڈ کی وجہ سے۔ اس لیے ہمیں جڑ کا اوسط مربع (آر ایم ایس) شور آؤٹ پٹ وولٹیج ملتا ہے۔ ایک اعلی فیڈ بیک مزاحم مطلوب ہے کیونکہ یمپلیفائر کا ٹرانسمیپڈینس مزاحمت کے ساتھ لکیری طور پر بڑھتا ہے لیکن آؤٹ پٹ شور صرف فیڈ بیک مزاحمت کے مربع جڑ کے ساتھ بڑھتا ہے۔ ڈسکریٹ ٹی آئی اے ڈیزائن گین عنصر کے لیے فیلڈ ایفیکٹ ٹرانجسٹر کا استعمال کرتے ہوئے ڈسکریٹ اجزاء کے ساتھ ٹرانسمپیڈینس ایمپلیفائر کی تعمیر بھی ممکن ہے۔ یہ وہاں کیا گیا ہے جہاں بہت کم شور کی ضرورت تھی۔ پن ڈایڈڈ آپٹیکل مواصلاتی ذرائع حوالہ جات اینالاگ سرکٹس الیکٹرانک یمپلیفائرز بھی دیکھیں۔