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Amplificatore a Trans-Impedenza

Da Wikipedia : In elettronica, un amplificatore a transimpedenza (TIA) è un convertitore currente-tensione, molto spesso implementato usando un amplificatore operazionale. Il TIA può essere usato per amplificare i segnali in corrente prodotti da tubi Geiger–Müller, tubi fotomoltiplicatorifoto detectors e altri tipi di sensori, e convertire questi segnali in una tensione adeguata.
I convertitori corrente-tensione sono usati con i sensori che hanno una risposta in corrente maggiormente lineare di quella in tensione. Questo è il caso ad esempio dei fotodiodi, per i quali non è raro trovare risposte in corrente con linearità migliore del 1% su un ampio intervallo di intensità luminose. L’amplificatore a transimpedenza presenta una bassa impedenza di input verso il sensore e lo isola rispetto alla tensione di uscita dell’amplificatore operazionale.
Nella sua forma più semplice l’amplificatore a transimpedenza  ha semplicemente una resistenza di feedback, Rf di valore elevato. Il guadagno dell’amplificatore è determinato da questa resistenza ed ha un valore pari a −Rf (a causa della configurazione invertente). Vi sono svariate configurazioni diverse, ciascuna adatta ad una particolare applicazione. Il fattore in comune è sempre il requisito di convertire in una tensione la piccola corrente del sensore. Il guadagno, la banda, così come gli offsets, cambiano a seconda del tipo di sensore, richiedendo quindi amplificatori TIA con configurazioni diverse.

Per il nostro TIA abbiamo scelto l’amplificatore operazionale TI OPA354 in formato SMD SOP-8. Questo amplificatore è un rail-to-rail adatto per applicazioni in dispositivi TIA, caratterizzato da :

– Wide Bandwidth: 100-MHz GBW
– High Slew Rate: 150 V/µs
– Low Noise: 6.5 nV√Hz

Le applicazioni principali del nostro TIA sono quelle di amplificare segnali provenienti da detector di radiazioni e particelle, è importante quindi che l’amplificatore sia molto veloce ed abbia basso rumore. Il chip OPA354 ci è sembrato un buon compromesso tra costo e prestazioni. Per il montaggio SMD abbiamo risolto utilizzando un adapter SMD – DIP L’op amp è retroazionato con resistenza di feedback e piccola capacità di stabilizzazione. In output è stato aggiunto, sempre con OPA354, uno stadio buffer. L’op amp è single supply e per la sua alimentazione abbiamo utilizzato una tensione stabilizzata di 3.3 V.
L’immagine riportata sotto mostra lo schema del circuito.

Abbiamo utilizzato il TIA in particolare per amplificare il segnale prodotto da rivelatori basati su SiPM (post Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM)). Lo schema è riportato sotto, si vede che il SiPM è polarizzato inversamente ad un valore di circa 30 V, attraverso una resistenza di polarizzazione, mentre il segnale viene prelevato da un condensatore di accoppiamento.

La immagine sotto mostra la circuiteria con la sezione di alimentazione nella parte superiore e due amplificatori a transimpedenza per SiPM nella parte inferiore. Il tutto inserito in una scatola metallica allo scopo di ridurre i disturbi elettromagnetici.

L’immagine sotto mostra il tracciato all’oscilloscopio del segnale prodotto dal SiPM, senza amplificazione, in blu, ed il segnale post-amplificazione, in giallo. Si vede come il segnale venga amplificato di 5-10 volte (il guadagno è regolabile mediante la resistenza di feedback) e la durata dell’impulso sia molto breve, di circa 200 ns.

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