วงจรขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์ (Transimpedance Amplifier หรือ TIA) เป็นวงจรแปลงกระแสเป็นแรงดันที่ออกแบบโดยใช้ส่วนประกอบแอคทีฟ เช่นตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (Operational Amplifier หรือ OAMP ) เพื่อเปลี่ยนกระแสอินพุตให้เป็นแรงดันเอาต์พุตที่ได้สัดส่วนกัน นอกจากนี้ยังสามารถออกแบบวงจรแปลงกระแสเป็นแรงดันแบบแอคทีฟโดยใช้ส่วนประกอบแอคทีฟ เช่น IGBT, BJT, MOSFETเป็นต้น ได้เช่นกัน แต่วงจรแปลงกระแสเป็นแรงดันที่ใช้บ่อยที่สุดคือ TIA ซึ่งย่อมาจาก “Transimpedance Amplifier” ดังนั้นบทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมของวงจรขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์หรือ TIAพร้อมทั้งการประยุกต์ใช้งาน

นิยามของตัวขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์

ตัวแปลงที่ใช้เปลี่ยนกระแสไฟฟ้าเป็นแรงดันไฟฟ้าโดยใช้ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ ตัวเดียวหรือหลายตัว เรียกว่า ตัวแปลงทรานส์อิมพีแดนซ์ หรือ TIA ตัวแปลงเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้เพื่อเปลี่ยนกระแสเอาต์พุตของหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ หลอดไกเกอร์-มุลเลอร์ และโฟโต ดีเทคเตอร์ ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ ตัวแปลงเหล่านี้ใช้เซ็นเซอร์ที่มีการตอบสนองต่อกระแสไฟฟ้าซึ่งเป็นเชิงเส้นมากกว่าการตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้า

วงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์อย่างง่ายนั้นประกอบด้วยตัวต้านทานป้อนกลับ เช่น Rf ที่มีค่ามากตัวต้านทาน Rf นี้ ใช้สำหรับกำหนดอัตราขยายของวงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์ เนื่องจากวงจรขยายสัญญาณนี้ต่ออยู่ในรูปแบบกลับเฟส

มีวงจรขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์หลายแบบให้เลือกใช้ โดยแต่ละแบบจะใช้สำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน แต่สิ่งหนึ่งที่เหมือนกันในทุกแบบคือ การแปลงกระแสไฟฟ้าระดับต่ำจากเซ็นเซอร์ให้เป็นแรงดันไฟฟ้า แบนด์วิดท์ อัตราขยาย และค่าชดเชยแรงดันและกระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปตามประเภทของเซ็นเซอร์ ซึ่งต้องการวงจรขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์ที่แตกต่างกัน

วงจรและหลักการทำงานของเครื่องขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์

วงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์เป็นวงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส ที่ง่ายมาก โดยมีการป้อนกลับเชิงลบ ตัวต้านทานป้อนกลับ เช่น 'R1' จะต่อเข้ากับขั้วกลับเฟส (-) ของวงจรขยายสัญญาณ ดังแสดงในวงจรด้านล่าง

กระแสอินพุตของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการจะเป็นศูนย์เนื่องจากอิมพีแดนซ์อินพุตสูง ดังนั้นกระแส (Is) จากแหล่งจ่ายกระแสจะต้องไหลผ่านตัวต้านทาน R1 แรงดันเอาต์พุตของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ ณ จุดนี้สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรตัวขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์ดังต่อไปนี้

Vout = -Is * R1

สูตรคำนวณข้างต้นจะมีค่าที่ถูกต้องในวงจรในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม ในวงจรจริง แอมพลิฟายเออร์จะมีค่าความจุขาเข้าและค่าความจุแฝงอยู่ตามขาอินพุต ซึ่งทำให้เกิดการสั่นแบบกระเพื่อมและค่าเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้วงจรแอมพลิฟายเออร์ทั้งหมดไม่เสถียร

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองชิ้นแทนที่จะใช้ส่วนประกอบเพียงชิ้นเดียว เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ เพื่อให้วงจรทรานส์อิมพีแดนซ์ทำงานได้อย่างถูกต้อง ส่วนประกอบทั้งสองนี้ต่อขนานกันระหว่างขั้วที่ไม่กลับเฟสและเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ ดังแสดงในภาพด้านล่าง

ในวงจรข้างต้น ตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ (op-amp) ถูกต่อในโหมดป้อนกลับเชิงลบอีกครั้ง โดยใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเป็นตัวป้อนกลับ

เมื่อกระแสไฟฟ้า เช่น 'Is' ไหลเข้าสู่ขาอินเวอร์ติงของแอมพลิฟายเออร์ทรานส์อิมพีแดนซ์ กระแสไฟฟ้านั้นจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า เช่น 'Vout' แรงดันไฟฟ้าขาออกของแอมพลิฟายเออร์นี้สามารถกำหนดได้จากค่าความต้านทานและค่ากระแสไฟฟ้าขาเข้า

ในวงจรนี้ แรงดันเอาต์พุตขึ้นอยู่กับตัวต้านทานป้อนกลับ 'R1' และมีความสัมพันธ์หลักกับค่าตัวเก็บประจุป้อนกลับ 'C1' แบนด์วิดท์ของวงจรขยายสัญญาณนี้ขึ้นอยู่กับค่าของตัวเก็บประจุป้อนกลับ เช่น C1 เป็นหลัก ดังนั้นค่าของตัวเก็บประจุนี้จึงเปลี่ยนแปลงแบนด์วิดท์โดยรวมของวงจร

เพื่อให้วงจรทำงานได้อย่างเสถียรตลอดช่วงความถี่ทั้งหมด ค่าตัวเก็บประจุสำหรับช่วงความถี่ที่ต้องการสามารถคำนวณได้ดังนี้

C1 ≤ 1 / 2π x R1 x fp

ที่ไหน,

'R1' คือตัวต้านทานป้อนกลับ

'fp' คือความถี่แบนด์วิดท์ที่จำเป็น

ในทางปฏิบัติ ทั้งความจุอินพุตและความจุปรสิตของวงจรขยายสัญญาณมีบทบาทสำคัญต่อเสถียรภาพของวงจรขยายสัญญาณ การตอบสนองอัตราขยายสัญญาณรบกวนของวงจรจะทำให้เกิดความไม่เสถียรเนื่องจากระยะขอบการเลื่อนเฟสของวงจรขยายสัญญาณ และทำให้เกิดการโอเวอร์ชูตในพฤติกรรมการตอบสนองแบบขั้นบันได

หลักการทำงานของวงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์คือการเปลี่ยนแหล่งจ่ายกระแสอินพุตให้เป็นแรงดันเอาต์พุต โดยที่อัตราการขยายกระแสเป็นแรงดันนั้นขึ้นอยู่กับความต้านทานป้อนกลับเป็นหลัก ดังนั้น วงจรขยายสัญญาณนี้จึงสามารถรักษาแรงดันไบแอสให้คงที่ที่แหล่งจ่ายอินพุตได้เมื่อกระแสอินพุตเปลี่ยนแปลง

การออกแบบวงจรขยายสัญญาณทรานส์อิมพีแดนซ์

ขั้นตอนต่อไปนี้จำเป็นต้องปฏิบัติตามเพื่อออกแบบวงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์

• ใช้วงจรขยายสัญญาณแบบ CMOS หรือ JFET ที่มีอินพุตผ่านกระแสไบแอสต่ำเพื่อลดข้อผิดพลาดกระแสตรง
• มีการจ่ายแรงดันไบแอสไปยังขั้วที่ไม่กลับเฟสของออปแอมป์เพื่อกำหนดแรงดันเอาต์พุตสำหรับกระแสอินพุต
• ทำงานในช่วงแรงดันเอาต์พุตเชิงเส้นเพื่อลดข้อผิดพลาดจากความไม่เป็นเชิงเส้น

ขั้นตอนการออกแบบ

ขั้นตอนการออกแบบแรกคือการคำนวณค่าตัวต้านทานป้อนกลับ 'R1'

R1 = VoMax-VoMin/IiMax-IiMin

อินพุต Iimin = 0A, IiMax = 50uA

เอาต์พุต VoMin=0V, VoMax=5V

แบนด์วิดท์ fp = 10 กิโลเฮิร์ตซ์

แหล่งจ่ายไฟ Vcc = 15V และ Vee = -15V

แทนค่าเหล่านี้ลงในสมการข้างต้น

R1 = 5V-0V/50uA-0uA = 100 กิโลโอห์ม

ขั้นตอนที่สองคือการคำนวณค่าตัวเก็บประจุป้อนกลับ เลือกค่าตัวเก็บประจุป้อนกลับให้เหมาะสมกับแบนด์วิดธ์ของวงจร

C1 ≤ 1 / 2π x R1 x fp ≤ 1 / 2π x 100 kΩ x 10kHz ≤ 150pF

คำนวณค่า GBW (gain bandwidth) ของออปแอมป์ที่ต้องการเพื่อให้วงจรขยายสัญญาณมีค่าคงที่

GBW > Ci+C1/2π x R1 x C1^2

Ci = Cs+Cd+Ccm = 0pF+3pF+3pF = 6pF

GBW > 6pF+150pF/2π x 100 kΩ x (150pF)^2>11.03kHz

Cs: ค่าความจุของแหล่งจ่ายไฟขาเข้า

Cd: ค่าความจุอินพุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลของแอมพลิฟายเออร์

Ccm: ค่าความจุอินพุตโหมดร่วมของอินพุตแบบกลับเฟส

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีและข้อเสียของแอมพลิฟายเออร์แบบทรานส์อิมพีแดนซ์มีดังต่อไปนี้

• การออกแบบวงจรทำได้ง่ายโดยใช้ Op-amp, ตัวต้านทาน ฯลฯ
• วงจรขยายสัญญาณนี้ทำงานคล้ายกับตัวต้านทาน โดยเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าให้เป็นแรงดันไฟฟ้า แต่แตกต่างจากตัวต้านทานตรงที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตและเอาต์พุตต่ำ แม้จะมีอัตราขยายสูงมากก็ตาม
• ตัวเก็บประจุจะต่อขนานกับตัวต้านทานป้อนกลับเพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพในการใช้งานที่ใช้โฟโตไดโอด
• แอมพลิฟายเออร์เหล่านี้ทำงานได้ทั้งในวงจรแปลงกระแสเป็นแรงดันแบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ ดังนั้นวงจรแปลงกระแสเป็นแรงดันแบบพาสซีฟจึงใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ในขณะที่วงจรแปลงกระแสเป็นแรงดันแบบแอคทีฟจะใช้ส่วนประกอบแบบแอคทีฟ แต่โดยทั่วไปแล้ว จะใช้ออปแอมป์ในแอมพลิฟายเออร์แบบทรานส์อิมพีแดนซ์เพื่อแปลงกระแสเป็นแรงดัน
• ความเสถียรของการออกแบบเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในวงจรทรานส์อิมพีแดนซ์ เนื่องจากปัญหาที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนและพาราสิต ดังนั้นผู้ออกแบบวงจรจึงควรระมัดระวังเป็นอย่างยิ่งในการเลือกแอมพลิฟายเออร์ที่เหมาะสม

แอปพลิเคชัน

การใช้งานของวงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์ได้แก่ การใช้งานดังต่อไปนี้

• วงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับประมวลผลกระแสไฟฟ้าที่ได้จากทรานสดิวเซอร์วัดความดัน โฟโตไดโอด และมาตรวัดความเร่ง ให้เป็นสัญญาณเอาต์พุตที่มีลักษณะคล้ายแรงดันไฟฟ้า
• วงจรขยายสัญญาณแบบทรานส์อิมพีแดนซ์ให้การประมวลผลสัญญาณเชิงเส้นอย่างง่ายโดยใช้ออปแอมป์และตัวต้านทานเพื่อระบายกระแสไฟฟ้า
• มีการใช้งานในอุปกรณ์ทางแสง เซ็นเซอร์อนาล็อกกำลังต่ำ อุปกรณ์ RF หลอดไกเกอร์-มุลเลอร์ เซ็นเซอร์ชนิดอื่นๆ หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ โฟโตดีเทคเตอร์ และมาตรวัดความเร่ง
• TIA (Transient Information Unit) ใช้ในตัวรับสัญญาณการสื่อสารด้วยแสง
• มีการกำหนดค่า TIA หลายประเภท โดยแต่ละประเภทจะใช้สำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะอย่าง

ดังนั้น นี่คือคำอธิบายเกี่ยวกับแอมพลิฟายเออร์แบบทรานส์อิมพีแดนซ์คุณสมบัติที่สำคัญของแอมพลิฟายเออร์แบบทรานส์อิมพีแดนซ์ส่วนใหญ่ ได้แก่ ช่วงเชิงเส้น การชดเชย อิมพีแดนซ์การถ่ายโอน สัญญาณรบกวนกระแส RMS อ้างอิง และแบนด์วิดธ์ของทรานส์อิมพีแดนซ์