مضخم المعاوقة الانتقالية

في الإلكترونيات ، يُعد مكبر المعاوقة الانتقالية ( TIA ) محول تيار إلى جهد، يتم تنفيذه حصريًا تقريبًا باستخدام مكبر تشغيلي واحد أو أكثر . يمكن استخدام مكبر المعاوقة الانتقالية لتضخيم ^[1] خرج التيار لأنابيب جايجر-مولر وأنابيب مضاعفة الضوء ومقاييس التسارع وكاشفات الضوء وأنواع أخرى من المستشعرات إلى جهد قابل للاستخدام. تُستخدم محولات التيار إلى الجهد مع المستشعرات التي لها استجابة تيار أكثر خطية من استجابة الجهد. هذه هي الحال مع الثنائيات الضوئية حيث ليس من غير المألوف أن يكون استجابة التيار أفضل من 1٪ غير خطية على نطاق واسع من مدخلات الضوء. يقدم مكبر المعاوقة الانتقالية معاوقة منخفضة للثنائي الضوئي ويعزلها عن جهد خرج مكبر التشغيل. في أبسط أشكاله، يحتوي مكبر المعاوقة الانتقالية على مقاومة تغذية مرتدة كبيرة القيمة، R _f . يتم ضبط مكسب مكبر الصوت بواسطة هذه المقاومة ولأن مكبر الصوت في تكوين عاكس، فإن قيمته -R _f . توجد عدة تكوينات مختلفة لمضخمات المعاوقة الانتقالية، كل منها مناسب لتطبيق معين. العامل المشترك بينها جميعًا هو متطلب تحويل التيار المنخفض المستوى للمستشعر إلى جهد. يتغير المكسب وعرض النطاق وكذلك إزاحات التيار والجهد مع أنواع مختلفة من المستشعرات، مما يتطلب تكوينات مختلفة لمضخمات المعاوقة الانتقالية. ^[2]

في الدائرة الموضحة في الشكل 1، يتم توصيل الصمام الثنائي الضوئي (الموضح كمصدر للتيار) بين الأرض والمدخل العاكس لمكبر التشغيل. يتم توصيل المدخل الآخر لمكبر التشغيل أيضًا بالأرض. يوفر هذا حملًا منخفض المقاومة للصمام الثنائي الضوئي، مما يحافظ على انخفاض جهد الصمام الثنائي الضوئي. يعمل الصمام الثنائي الضوئي في الوضع الكهروضوئي بدون تحيز خارجي. يحافظ المكسب العالي لمكبر التشغيل على أن يكون تيار الصمام الثنائي الضوئي مساويًا لتيار التغذية الراجعة عبر R _f . يكون جهد إزاحة الإدخال بسبب الصمام الثنائي الضوئي منخفضًا جدًا في هذا الوضع الكهروضوئي المتحيز ذاتيًا. يسمح هذا بمكسب كبير بدون أي جهد إزاحة خرج كبير. يستخدم هذا التكوين مع الصمامات الثنائية الضوئية المضاءة بمستويات ضوء منخفضة وتتطلب الكثير من المكسب.

يتم تحديد مكسب التيار المستمر والتردد المنخفض لمضخم المعاوقة الانتقالية بواسطة المعادلة

${\displaystyle -I_{\text{in}}={\f{V_{\text{out}}}{R_{\text{f}}}},}$

لذا

${\displaystyle {\frac {V_{\text{خارج}}}{I_{\text{داخل}}}}=-R_{\text{f}}}$

إذا كان المكسب كبيرًا، فإن أي جهد إزاحة دخل عند المدخل غير العاكس لمضخم التشغيل سيؤدي إلى إزاحة تيار مستمر للخرج. وبالمثل، فإن تيار تحيز الإدخال على الطرف العاكس لمضخم التشغيل سيؤدي إلى إزاحة خرج. لتقليل هذه التأثيرات، عادةً ما يتم تصميم مكبرات تحويل المعاوقة بمضخمات تشغيلية ذات مدخل ترانزستور تأثير المجال (FET) ذات جهد إزاحة دخل منخفض جدًا. ^[3]

يمكن أيضًا استخدام TIA العاكس مع الصمام الثنائي الضوئي الذي يعمل في الوضع الضوئي الموصل ، كما هو موضح في الشكل 2. يطبق الجهد الموجب عند كاثود الصمام الثنائي الضوئي انحيازًا عكسيًا. يزيد هذا الانحياز العكسي من عرض منطقة الاستنفاد ويخفض سعة الوصلة، مما يحسن أداء التردد العالي. يتم استخدام التكوين الضوئي لمضخم الصمام الثنائي الضوئي ذي المعاوقة الانتقالية حيث تكون هناك حاجة إلى عرض نطاق ترددي أعلى. عادةً ما تكون مكثف التغذية الراجعة C _f مطلوبة لتحسين الاستقرار.

إن استجابة التردد لمضخم المعاوقة المتبادلة تتناسب عكسياً مع المكسب الذي يتم ضبطه بواسطة المقاوم المرتجع. عادةً ما يكون للمستشعرات التي تستخدم معها مضخمات المعاوقة المتبادلة سعة أكبر مما يمكن لمضخم التشغيل التعامل معه. يمكن نمذجة المستشعر كمصدر تيار ومكثف C i _. [ ^4] هذه السعة عبر أطراف الإدخال لمضخم التشغيل، والتي تتضمن السعة الداخلية لمضخم التشغيل، تقدم مرشح تمرير منخفض في مسار التغذية الراجعة. يمكن وصف استجابة التمرير المنخفض لهذا المرشح بعامل التغذية الراجعة:

${\displaystyle \beta ={\frac {1}{1+R_{\text{f}}C_{\text{i}}s}},}$

عندما يتم أخذ تأثير استجابة مرشح التمرير المنخفض في الاعتبار، تصبح معادلة استجابة الدائرة:

${\displaystyle V_{\text{out}}=I_{\text{p}}{\frac {-R_{\text{f}}}{1+{\frac {1}{A_{\text{OL}}\beta }}}},}$

أين هو مكسب الحلقة المفتوحة لمضخم التشغيل؟ ${\displaystyle A_{\text{OL}}}$

عند الترددات المنخفضة، يكون لعامل التغذية الراجعة β تأثير ضئيل على استجابة المضخم. ستكون استجابة المضخم قريبة من المثالية:

${\displaystyle V_{\text{out}}=-I_{\text{p}}R_{\text{f}}}$

طالما أن مكسب الحلقة : أكبر بكثير من الوحدة. ${\displaystyle A_{\text{OL}}\beta }$

في مخطط بود لمضخم تحويل المعاوقة بدون تعويض، يكون المنحنى المسطح ذو الذروة، والمسمى بمكسب I-to-V، هو استجابة التردد لمضخم تحويل المعاوقة. تكون ذروة منحنى الكسب نموذجية لمضخمات تحويل المعاوقة غير المعوضة أو المعوضة بشكل سيئ. المنحنى المسمى A _OL هو استجابة الحلقة المفتوحة للمضخم. يُسمى عامل التغذية الراجعة، المرسوم كمقلوب، 1/β. في الشكل 4، يشكل منحنى 1/β و A _OL مثلثًا متساوي الساقين مع محور التردد. يكون للجانبين منحدران متساويان ولكن متعاكسان، حيث أن أحدهما هو نتيجة لقطب من الدرجة الأولى ، والآخر لصفر من الدرجة الأولى . كل منحدر له مقدار 20 ديسيبل/عقد، وهو ما يتوافق مع تحول طور بمقدار 90 درجة. عندما تضاف 180 درجة من عكس الطور للمضخم إلى هذا، تكون النتيجة 360 درجة كاملة عند نقطة التقاطع f _i ، كما هو موضح بالخط الرأسي المتقطع. عند هذا التقاطع، 1/β = A _OL لكسب حلقة A _OL β = 1. سيحدث التذبذب عند التردد f _i بسبب تحول الطور بمقدار 360 درجة، أو التغذية الراجعة الإيجابية، وكسب الوحدة. ^[6] للتخفيف من هذه التأثيرات، يضيف مصممو مكبرات الصوت ذات المعاوقة الانتقالية مكثف تعويضي صغير القيمة ( C _f في الشكل أعلاه) بالتوازي مع مقاوم التغذية الراجعة. عندما يتم النظر في مكثف التغذية الراجعة هذا، يصبح عامل التغذية الراجعة المعوض

${\displaystyle \beta ={\frac {1+R_{\text{f}}C_{\text{f}}s}{1+R_{\text{f}}(C_{\text{i}}+C_{\text{f}})s}}.}$

ينتج مكثف التغذية الراجعة صفرًا أو انحرافًا في منحنى الاستجابة عند التردد

${\displaystyle f_{C_{\text{f}}}={\frac {1}{2\pi R_{\text{f}}C_{\text{f}}}}.}$

يعمل هذا على مواجهة القطب الناتج عن C _i عند التردد

${\displaystyle f_{\text{zf}}={\frac {1}{2\pi R_{\text{f}}(C_{\text{i}}+C_{\text{f}})}}.}$

يظهر مخطط بود لمضخم معاوقة انتقالية يحتوي على مكثف تعويض في مسار التغذية الراجعة في الشكل 5، حيث يبدأ عامل التغذية الراجعة المعوض المرسوم كمقلوب، 1/β، في الانحدار قبل f _i ، مما يقلل المنحدر عند التقاطع. لا يزال مكسب الحلقة واحدًا، لكن تحول الطور الكلي ليس 360 درجة كاملة. يتم التخلص من أحد متطلبات التذبذب بإضافة مكثف التعويض، وبالتالي تتمتع الدائرة بالاستقرار. يقلل هذا أيضًا من ذروة الكسب، مما ينتج عنه استجابة إجمالية أكثر تسطحًا. هناك العديد من الطرق المستخدمة لحساب قيمة مكثف التعويض. سيقلل مكثف التعويض الذي يحتوي على قيمة كبيرة جدًا من عرض النطاق الترددي للمضخم. إذا كان المكثف صغيرًا جدًا، فقد يحدث تذبذب. ^[8] إحدى الصعوبات التي تواجه طريقة تعويض الطور هذه هي القيمة الصغيرة الناتجة للمكثف، وغالبًا ما تكون الطريقة التكرارية مطلوبة لتحسين القيمة. لا توجد صيغة واضحة لحساب قيمة المكثف تناسب جميع الحالات. يمكن أيضًا استخدام طريقة تعويض تستخدم مكثفًا ذا قيمة أكبر لا يتأثر بتأثيرات السعة الطفيلية . ^[9]

في أغلب الحالات العملية، يكون المصدر الرئيسي للضوضاء في مكبر تحويل المعاوقة هو مقاومة التغذية الراجعة. ضوضاء الجهد الناتجة هي ضوضاء الجهد فوق مقاومة التغذية الراجعة مباشرةً. تتمتع ضوضاء جونسون-نايكويست بسعة RMS

${\displaystyle {\sqrt {\overline {v_{n,out}^{2}}}}={\sqrt {4k_{\text{B}}TR_{f}\Delta f}}.}$

على الرغم من أن جهد الضوضاء الناتج يزداد بشكل متناسب مع ، فإن المعاوقة الانتقالية تزداد خطيًا مع ، مما يؤدي إلى تيار ضوضاء مرجعي للإدخال ${\displaystyle {\sqrt {R_{f}}}}$${\displaystyle R_{f}}$

${\displaystyle {\sqrt {\overline {i_{n,in}^{2}}}}={\sqrt {\frac {4k_{\text{B}}T\Delta f}{R_{f}}}}.}$

للحصول على أداء ضوضاء جيد، يجب استخدام مقاومة ردود فعل عالية. ومع ذلك، فإن مقاومة ردود الفعل الأكبر تزيد من تأرجح جهد الخرج، وبالتالي هناك حاجة إلى مكسب أعلى من مكبر التشغيل، مما يتطلب مكبر تشغيلي مع حاصل نطاق ترددي مرتفع للكسب . وبالتالي فإن مقاومة ردود الفعل وبالتالي الحساسية محدودة بتردد التشغيل المطلوب لمكبر المعاوقة الانتقالية.

تيار الضوضاء لمقاومة التغذية الراجعة يساوي . بسبب وجود أرض افتراضية عند المدخل السالب للمضخم . ${\displaystyle {\overline {i_{n}^{2}}}={\frac {4k_{\text{B}}T\Delta f}{R_{f}}}}$${\displaystyle {\overline {v_{n,out}^{2}}}={R_{f}}^{2}{\overline {i_{n}^{2}}}}$

وبالتالي نحصل على جهد خرج ضوضاء الجذر التربيعي المتوسط ​​(RMS) . إن المقاومة ذات التغذية الراجعة العالية مرغوبة لأن معاوقة الترانسميبيدانس للمضخم تنمو خطيًا مع المقاومة ولكن ضوضاء الخرج تنمو فقط مع الجذر التربيعي لمقاومة التغذية الراجعة. ${\displaystyle {\sqrt {\overline {v_{n,out}^{2}}}}={\sqrt {4k_{\text{B}}TR_{f}\Delta f}}}$

من الممكن أيضًا إنشاء مكبر ترددي مع مكونات منفصلة باستخدام ترانزستور تأثير المجال لعنصر الكسب. تم القيام بذلك حيث كان مطلوبًا مستوى ضوضاء منخفض جدًا. ^[10]

• مضخم التوصيل التشغيلي – يحول الجهد التفاضلي إلى تيار
• الاتصالات البصرية
• الصمام الثنائي PIN

• Graeme, JG (1996). مضخمات الثنائيات الضوئية: حلول مكبر التشغيل. Gain technology. McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-024247-0تم الاسترجاع بتاريخ 12 نوفمبر 2020 .