簡単に説明すると、トランスインピーダンスアンプは入力電流を比例出力電圧に変換するコンバータ回路です。電流が抵抗を流れるとき、電流の値と抵抗自体の値に比例する電圧降下が抵抗の両端に発生することがわかっています。ここで、抵抗の値が理想的に一定であると仮定すると、オームの法則を使用して、電圧の値に基づいて電流の値を簡単に計算できます。これは最も基本的な電流-電圧変換器であり、これを実現するために抵抗（受動素子）を使用しているため、受動電流-電圧変換器と呼ばれます。
一方、トランスインピーダンスアンプは、 オペアンプなどのアクティブコンポーネントを使用して入力電流を比例出力電圧に変換するため、アクティブ電流から電圧へのコンバータです。BJT、IGBT、MOSFETなどの他のアクティブコンポーネントを使用してアクティブIからVへのコンバータを構築することも可能です。最も一般的に使用される電流-電圧コンバータはトランスインピーダンスアンプ（TIA）であるため、この記事ではそれについて詳しく学び、回路設計での使用方法。
トランスインピーダンスアンプの重要性
抵抗器でさえ電流を電圧に変換できることがわかったので、なぜオペアンプを使用してアクティブな電流から電圧へのコンバータを構築する必要があるのでしょうか。パッシブVからIへのコンバーターに対してどのような利点と重要性がありますか？
それに答えるために、感光性ダイオード（電流源）がそれに当たる光に応じてその端子に電流を供給し、単純な小さな値の抵抗がフォトダイオードの両端に接続されて、出力電流を比例電圧に変換すると仮定します。下の画像。
上記の回路は理論的にはうまく機能するかもしれませんが、フォトダイオードは浮遊容量と呼ばれるいくつかの不要な容量特性からも構成されるため、実際には性能が低下します。これにより、センス抵抗の値が小さい場合、時定数（t）（t =センス抵抗x浮遊容量）が小さくなり、ゲインが低くなります。センス抵抗が増加すると、正反対のことが起こり、ゲインが高くなり、時定数も小さな抵抗値よりも高くなります。この不均一なゲインは、不十分な信号対雑音比につながりますまた、出力電圧の柔軟性は制限されます。したがって、ゲインとノイズに関連する問題を修正するには、トランスインピーダンスアンプがよく使用されます。トランスインピーダンスアンプでこれに加えて、設計者は設計要件に従って回路の帯域幅とゲイン応答を構成することもできます。
トランスインピーダンスアンプの動作
トランスインピーダンスアンプ回路は、負帰還を備えたシンプルな反転アンプです。以下に示すように、アンプとともに、単一のフィードバック抵抗（R1）がアンプの反転端に接続されています。
オペアンプの入力電流は入力インピーダンスが高いためゼロになることがわかっているため、電流源からの電流は抵抗R1を完全に通過する必要があります。この電流を現状のままと考えてみましょう。この時点で、オペアンプの出力電圧（Vout）は次の式を使用して計算できます-
Vout = -Is x R1
この式は、理想的な回路にも当てはまります。しかし、実際の回路では、オペアンプは入力容量と入力ピン間の浮遊容量の値で構成され、出力ドリフトとリンギング発振を引き起こし、回路全体を不安定にする可能性があります。この問題を克服するには、単一の受動部品ではなく、2つの受動部品がトランスインピーダンス回路の適切な動作に必要です。これらの2つの受動部品は、前の抵抗（R1）と追加のコンデンサ（C1）です。以下に示すように、抵抗とコンデンサの両方がアンプの負の入力と出力の間に並列に接続されています。
ここでのオペアンプは、フィードバックとして抵抗R1とコンデンサC1を介して負帰還状態で再び接続されます。トランスインピーダンスアンプの反転ピンに印加される電流（Is）は、出力側でVoutと同等の電圧に変換されます。入力電流の値と抵抗（R1）の値を使用して、トランスインピーダンスアンプの出力電圧を決定できます。
出力電圧はフィードバック抵抗に依存するだけでなく、フィードバックコンデンサC1の値とも関係があります。回路の帯域幅はフィードバックコンデンサの値C1に依存するため、このコンデンサの値によって回路全体の帯域幅が変わる可能性があります。全帯域幅で回路を安定して動作させるために、必要な帯域幅のコンデンサ値を計算する式を以下に示します。
C1≤1 /2πX R1 XF P
ここで、R1は帰還抵抗であり、f pは必要な帯域幅の周波数です。
実際の状況では、アンプの寄生容量と入力容量は、トランスインピーダンスアンプの安定性に重要な役割を果たします。回路のノイズゲイン応答も、回路の位相シフトマージンのために不安定性を生み出し、オーバーシュートステップ応答動作を引き起こします。
トランスインピーダンスアンプの設計
実際の設計でTIAを使用する方法を理解するために、単一の抵抗とコンデンサを使用してTIAを設計し、それをシミュレートしてその動作を理解しましょう。オペアンプを使用した電流-電圧変換器の完全な回路を以下に示します。
上記の回路は、一般的な低電力アンプLM358を使用しています。抵抗R1はフィードバック抵抗として機能し、コンデンサはフィードバックコンデンサの目的を果たします。アンプLM358は負帰還構成で接続されています。負の入力ピンは定電流源に接続され、正のピンはグランドまたは0電位に接続されます。これはシミュレーションであり、回路全体が理想的な回路として緊密に機能しているため、コンデンサの値はあまり影響しませんが、回路が物理的に構築されている場合は不可欠です。 10pFのは妥当な値であるが、コンデンサの値は、C1を用いて算出することができる回路≤1 /2πX R1 XFの周波数帯域幅に応じて変更することができるP前述したように。
完璧な動作のために、オペアンプは+/- 12Vのデュアル電源レール電源からも電力を供給されます。フィードバック抵抗値は1kとして選択されています。
トランスインピーダンスアンプシミュレーション
上記の回路をシミュレートして、設計が期待どおりに機能するかどうかを確認できます。DC電圧計がオペアンプ出力の両端に接続され、トランスインピーダンスアンプの出力電圧を測定します。回路が正常に動作している場合、電圧計に表示される出力電圧の値は、オペアンプの反転ピンに印加される電流に比例するはずです。
完全なシミュレーションビデオは以下にあります
テストケース1では、オペアンプの両端の入力電流は1mAとして与えられます。以下のようにオペアンプの入力インピーダンスは非常に高く、現在の開始は、フィードバック抵抗器を通って流れ、出力電圧は、式VOUT = -Is X R1などによって支配、電流が流れて、帰還抵抗値倍に信頼され前に説明しました。
私たちの回路では、抵抗R1の値は1kです。したがって、入力電流が1mAの場合、Voutは次のようになります。
Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ohms Vout = 1 Volt
電流から電圧へのシミュレーション結果を確認すると、正確に一致しています。トランスインピーダンスアンプの効果で出力がプラスになりました。
テストケース2では、オペアンプの両端の入力電流は.05mAまたは500マイクロアンペアとして与えられます。したがって、出力電圧の値は次のように計算できます。
Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ohms Vout =.5 Volt
シミュレーション結果を確認すると、これも完全に一致しています。
繰り返しますが、これはシミュレーション結果です。回路を構築している間、実際には単純な浮遊容量がこの回路に時定数効果をもたらす可能性があります。設計者は、物理的に構築する際に以下の点に注意する必要があります。
- ブレッドボードや銅被覆ボード、その他のストリップボードを接続しないでください。PCB上にのみ回路を構築します。
- オペアンプは、ICホルダーなしでPCBに直接はんだ付けする必要があります。
- フィードバックパスと入力電流源には短いトレースを使用します（フォトダイオードまたはトランスインピーダンスアンプで測定する必要のある同様のもの）。
- フィードバック抵抗とコンデンサは、オペアンプのできるだけ近くに配置してください。
- 短いリード付き抵抗を使用することをお勧めします。
- 電源レールに大きい値と小さい値の両方を持つ適切なフィルタコンデンサを追加します。
- 設計を簡素化するために、アンプのこの目的のために特別に設計された適切なオペアンプを選択してください。
トランスインピーダンスアンプの応用
トランスインピーダンスアンプは、光センシング関連の動作に最も重要な電流信号測定ツールです。化学工学、圧力トランスデューサ、さまざまなタイプの加速度計、先進運転支援システム、自動運転車で使用されるLiDARテクノロジーで広く使用されています。
トランスインピーダンス回路の最も重要な部分は、設計の安定性です。これは、寄生およびノイズ関連の問題が原因です。設計者は、適切なアンプの選択に注意し、適切なPCBガイドラインを使用するように注意する必要があります。