Transimpedans Amplifikatör Devreleri (TIA) ve Fotodiyot Uygulaması

Optoelektronik dünyasında fotodiyotlar, ışığı elektrik akımına çeviren temel algılayıcı elemanlardır. Ancak fotodiyotun çıkışı genellikle çok düşük seviyeli bir akımdır. Bu akımı doğrudan ölçmek zor olacağı için, akımı gerilime dönüştüren özel bir devreye ihtiyaç duyarız: İşte bu noktada transimpedans amplifikatör (TIA) devreleri devreye girer.

Neden Transimpedans Devresi Kullanırız?

1. Akımı gerilime dönüştürmek için

   • Fotodiyot, fototransistör veya fotomultipler tüpler ışıkla orantılı akım üretir.

   • Ancak ölçüm sistemleri (ADC, mikrodenetleyici girişleri, osiloskop vb.) akımı doğrudan ölçemez, gerilim sinyali ister.

   • TIA, akımı gerilime çevirerek sinyali kullanılabilir hale getirir.

2. Yüksek empedans uyumu sağlamak için

   • Fotodiyot doğrudan bir direnç üzerinden ölçülürse, yük direncinin empedansı hız sınırlamalarına yol açar.

   • Op-amp ile yapılan TIA, girişte sanal toprak (virtual ground) oluşturur ve fotodiyotun hızlı tepki vermesini sağlar.

3. Gürültüyü azaltmak için

   • TIA, uygun geri besleme elemanları (direnç + küçük kapasitör) ile yüksek frekanslı gürültüyü bastırabilir.

   • Bu, özellikle düşük ışık seviyelerinde ölçüm yaparken çok kritik bir avantajdır.

4. Lineerlik ve geniş dinamik aralık

   • Fotodiyotun akımı ışık şiddeti ile doğrusal orantılıdır.

   • TIA bu akımı lineer olarak gerilime dönüştürür → Ölçüm hassasiyeti artar.

5. Hızlı yanıt süresi

   • Özellikle fiber optik alıcılar, LIDAR sistemleri veya hızlı ışık darbeleri ölçümlerinde dirençli ölçüm devresi çok yavaş kalır.

   • TIA sayesinde nanosaniyeler seviyesinde hızlı yanıt alınabilir.

Fotodiyot + Op-Amp TIA Devresi

Aşağıda basit bir fotodiyot tabanlı transimpedans amplifikatör devresi görebilirsiniz:

Devre Açıklaması:

1. Op-Amp (Tersleyici giriş): Fotodiyotun akımını alır.

2. Geri besleme direnci (Rf): Akımı gerilime dönüştürür.

Çıkış gerilimi şu şekilde hesaplanır:

Vout=Ip×Rf

Burada dikkat edilmesi gereken nokta şudur. inverting opamp devresi tasarımlarında Rf direnci üzerinden geçen akımın yönü girişten çıkışa doğru alındığında çıkış negatif olur. Ancak fotodiyot üzerinde oluşan akımın yönü resimde görüldüğü gibi çıkıştan girişe doğrudur. Dolayısıyla çıkışımız negatif değil pozitif olacaktır.

Örneğin:

• Fotodiyot akımı 10 μA

• Geri besleme direnci 100 kΩ

Vout=10 μA×100 kΩ= 1 V

Kullanım Alanları

• Optik iletişim sistemleri (fiber optik alıcılar)

• Lidar ve mesafe ölçüm cihazları

• Tıbbi cihazlar (pulse oximeter, biyosensörler)

• Işık şiddeti ölçüm devreleri

Sonuç

Transimpedans amplifikatörler, fotodiyot gibi düşük akım üreten sensörlerin kullanılabilir hale gelmesini sağlayan temel devrelerden biridir. Doğru op-amp seçimi (düşük giriş bias akımı ve düşük gürültü), doğru geri besleme direnci ve kapasitör ile çok hassas optik ölçümler yapmak mümkündür. Doğru opamp seçimi ve geliştirilmiş transempedans devreleri başka bir yazının konusu olsun. keyifli çalışmalar dilerim.