Mạch TIA biến dòng điện rất nhỏ từ diode quang thành điện áp ra sao?
Khám phá mở rộng – Vật lý 11
TIA là bộ khuếch đại chuyển dòng điện thành điện áp nhờ một đường hồi tiếp, thường có điện trở nối từ đầu ra về đầu vào. Nó hữu ích khi cảm biến như diode quang tạo dòng quá nhỏ để phần đo điện áp phía sau đọc trực tiếp thuận lợi.
Cảm biến chưa nhất thiết cho ra một mức điện áp dễ dùng
Diode quang nhận ánh sáng phù hợp có thể tạo dòng điện. Nhưng nối nó với một đầu vào bất kỳ rồi đọc điện áp chưa chắc giữ được điều kiện đo mong muốn: tải và điện dung cùng tác động lên tín hiệu.
Một TIA tổ chức lại mối quan hệ ấy. Khi vòng hồi tiếp làm việc đúng trong miền tuyến tính, bộ khuếch đại điều chỉnh đầu ra để giữ nút vào gần một điện thế tham chiếu, thay vì để nó thay đổi tùy ý theo dòng cảm biến.
Dòng đi đâu khi đầu vào bộ khuếch đại hút rất ít?
Trong mô hình lý tưởng, đầu vào bộ khuếch đại không nhận dòng đáng kể. Dòng cảm biến vì vậy chủ yếu được cân bằng qua đường hồi tiếp. Để có dòng qua điện trở hồi tiếp, đầu ra cần tạo một chênh điện áp tương ứng.
Nhờ đó, điện áp đầu ra chứa thông tin về dòng nhỏ. Dấu biến đổi còn tùy hướng dòng và cách chọn mốc; không nên mặc định ánh sáng tăng luôn làm mọi TIA có điện áp tăng theo cùng chiều.
Ví dụ, một đầu đo quang có thể theo dõi thay đổi ánh sáng qua mẫu bằng mức điện áp này, thay vì đếm từng photon thành những xung riêng như SPAD.
Độ nhạy lớn đi cùng những ràng buộc
Điện trở hồi tiếp lớn hơn thường cho biến đổi điện áp lớn hơn với cùng dòng nhỏ trong miền phù hợp. Nhưng đầu ra có giới hạn: tới mức bão hòa, nó không còn biểu diễn tuyến tính dòng vào.
Nhiễu của linh kiện và điện dung ở nút vào cũng cần xét. Đường hồi tiếp thường phải được bù để tránh rung hoặc tự dao động; tăng một điện trở không bảo đảm vừa nhạy hơn vừa nhanh hơn trong mọi cấu hình.
Hiểu lầm: TIA tạo thêm năng lượng từ dòng ánh sáng yếu. Nguồn nuôi bộ khuếch đại cấp năng lượng để đưa thông tin cảm biến thành tín hiệu đầu ra dễ đọc.
Ghi nhớ: cảm biến tạo dòng, phản hồi cân bằng dòng, đầu ra tạo chênh áp; độ nhạy phải đi cùng ổn định và miền đo.
Đọc thêm
- SPAD nhận một photon bằng thác lũ điện tích trong bán dẫn ra sao?
- Cảm biến CCD biến ánh sáng thành một bức ảnh điện tử ra sao?
- Cầu Wheatstone nhận ra một thay đổi điện trở nhỏ bằng phép so sánh ra sao?