Un amplificador de transimpedancia, o TIA, convierte una señal de corriente de bajo nivel en una señal de tensión utilizable mediante una resistencia de retroalimentación. Para acondicionar esa señal y conservar únicamente un intervalo de frecuencias, puede añadirse un filtro paso banda activo, aunque la elección de la topología depende de la frecuencia central, el ancho de banda, el factor de calidad, la ganancia, el ruido y la estabilidad requerida.
El TIA normalmente incorpora un amplificador operacional y una resistencia de retroalimentación entre su salida y la entrada inversora. Si además se coloca un condensador en paralelo con esa resistencia, se limita la respuesta en alta frecuencia y se mejora el control de la estabilidad, pero también se modifica el ancho de banda y la ganancia efectiva del circuito.
Qué es un amplificador de transimpedancia
En su nivel más básico, un sistema de comunicación óptica utiliza un transmisor para codificar un mensaje en una señal óptica; un canal, para llevar esa señal a un destino; y un receptor, para devolver la señal a su forma original y legible. Un componente clave en el extremo receptor del sistema es un dispositivo que puede convertir la energía de la luz en una señal eléctrica.
Ese dispositivo, conocido como fotodiodo o fotodetector, está diseñado para permitir el paso de corriente en presencia de luz y para detener el paso de corriente en ausencia de luz. Para convertir esa corriente en una señal utilizable, se emplea una configuración de circuito eléctrico común: un amplificador de transimpedancia o TIA.
La configuración TIA normalmente incluye un amplificador operacional (op-amp), uno de los dispositivos más utilizados en el diseño electrónico. Un amplificador operacional es capaz de una ganancia tremenda: puede tomar una pequeña señal de entrada y transformarla en una señal de salida muy ampliada.
Debido a que la ganancia del amplificador operacional es tan extrema, se incorpora una resistencia de retroalimentación en la configuración. Esta configuración, como se muestra en el diagrama de la derecha, convierte efectivamente una señal de corriente de fotodiodo de bajo nivel en una salida de voltaje utilizable: entrada de corriente, salida de voltaje.
Principio de funcionamiento del TIA
Teóricamente hablando, eso es TIA en pocas palabras. La corriente generada por el fotodiodo circula hacia el nodo de entrada del amplificador operacional y la resistencia de retroalimentación transforma esa corriente en una tensión de salida.
La relación básica entre la corriente de entrada y la tensión de salida queda determinada principalmente por la resistencia de retroalimentación. Cuanto mayor sea esa resistencia, mayor será la conversión de corriente en tensión, aunque también aumentará la posibilidad de reducir el ancho de banda, elevar el ruido y dificultar la estabilidad.
Sin embargo, en la práctica, existen desafíos para generar estabilidad en el sistema. Un enfoque estándar es agregar un condensador de retroalimentación a través de la resistencia de retroalimentación para abordar el potencial de oscilación.
Es una estrategia eficaz, pero la estrecha interactividad entre los elementos del sistema significa que los cambios en uno pueden tener un impacto significativo en todos los demás. Esto se traduce en la necesidad de tomar decisiones con respecto a qué compensaciones son aceptables dentro de la optimización del circuito; los ejemplos incluyen la ganancia deseada, el nivel de ancho de banda que se debe lograr y la cantidad de ruido que se puede tolerar.
Relación entre ganancia, ancho de banda y ruido
Además, dado que la señal típica del fotodiodo es muy pequeña, puede haber múltiples etapas de transimpedancia dentro del sistema para optimizar el equilibrio entre el ruido y el ancho de banda. Si la primera etapa TIA da como resultado una ganancia demasiado alta, el ancho de banda alcanzable será limitado.
Si la ganancia es demasiado baja, se degradará la relación señal-ruido (SNR). Por ello, el diseño no consiste simplemente en aumentar la resistencia de retroalimentación, sino en establecer un compromiso entre sensibilidad, velocidad, estabilidad, ruido y margen de salida.
| Parámetro | Efecto principal |
|---|---|
| Resistencia de retroalimentación | Determina principalmente la conversión de corriente en tensión |
| Condensador de retroalimentación | Ayuda a controlar la estabilidad y limita la respuesta en alta frecuencia |
| Ganancia elevada | Puede reducir el ancho de banda alcanzable |
| Ganancia demasiado baja | Puede degradar la relación señal-ruido (SNR) |
| Filtro paso banda | Deja pasar un intervalo de frecuencias y atenúa las restantes |
Aplicaciones del amplificador de transimpedancia
Vale la pena señalar que los TIA se utilizan en una gran cantidad de aplicaciones más allá de la comunicación óptica. En pocas palabras, son bloques de construcción esenciales en cualquier sistema que mida la luz: reproductores de discos compactos, equipos de visión nocturna, controles remotos infrarrojos y muchos más.
A través de una mayor comprensión de los principios de TIA y la experiencia en abordar los desafíos de TIA, los diseñadores de redes pueden aportar versatilidad a una amplia gama de tareas.
Qué hace un filtro paso banda
Un filtro pasa banda es un circuito electrónico que permite el paso de un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el resto de frecuencias. El filtro Pasa Banda tiene la siguiente curva de respuesta de frecuencia.
Dejará pasar todas las tensiones de la señal de entrada que tengan frecuencias entre la frecuencia de corte inferior f1 y la de corte superior f2. Las tensiones fuera de este rango de frecuencias serán atenuadas y serán menores al 70.7 % de la tensión de entrada.
Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos últimos son solo combinación de resistencias, condensadores e inductores. En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada.
En cambio, los filtros activos se componen de resistores, condensadores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores. En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la entrada.
Frecuencia central, ancho de banda y factor de calidad
Hay muchas maneras de formar un filtro de paso de banda. Antes de introducir algunas de las posibilidades, debemos definir una serie de parámetros importantes.
Como en el caso de los filtros de paso alto y bajo, el concepto de amortiguación es importante. Por razones históricas, los filtros pasabanda normalmente se especifican con el parámetro \(Q\), el factor de calidad, que es el recíproco del factor de amortiguación.
Comparable a la frecuencia de ruptura es la frecuencia central, o pico, del filtro. Este es el punto de ganancia máxima. En los circuitos RLC, generalmente se le conoce como la frecuencia de resonancia.
El símbolo para la frecuencia central es \(f_o\). Debido a que un filtro de paso de banda produce atenuación a ambos lados de la frecuencia central, hay dos frecuencias de “3 dB hacia abajo”.
A la frecuencia inferior normalmente se le da el nombre \(f_1\), y se da la superior \(f_2\). La diferencia entre \(f_2\) y \(f_1\) se llama el ancho de banda del filtro y se abrevia como \(BW\).
La relación entre la frecuencia central y el ancho de banda es igual a la del filtro \(Q\).
\[BW = f_2 − f_1\]
\[Q = \frac{f_o}{BW}\]
Es importante señalar que la frecuencia central no es igual al promedio aritmético de \(f_1\) y \(f_2\). En cambio, es igual al promedio geométrico de \(f_1\) y \(f_2\).
\[f_o = \sqrt{f_1 f_2}\]
| Magnitud | Significado |
|---|---|
| f1 | Frecuencia de corte inferior a −3 dB |
| f2 | Frecuencia de corte superior a −3 dB |
| BW | Ancho de banda del filtro |
| fo | Frecuencia central o de resonancia |
| Q | Factor de calidad |
Elección de la topología del filtro
Si un filtro requiere una unidad bastante baja \(Q\), digamos unidad o menos, el filtro se realiza mejor como una cascada de filtros separados de paso bajo y alto. Para mayores \(Q\) s, examinaremos dos posibles realizaciones.
Los filtros de retroalimentación múltiple se utilizarán para \(Q\) s de hasta aproximadamente 10. Para \(Q\) s superiores a 10, se presenta el filtro estado-variable.
En un circuito acondicionador basado en un TIA, el filtro paso banda puede colocarse después de la etapa de transimpedancia para seleccionar la banda de interés. También puede integrarse con la etapa activa, siempre que se comprueben cuidadosamente la impedancia, la estabilidad, la ganancia y el ruido.
Filtro paso banda de retroalimentación múltiple
El filtro básico de retroalimentación múltiple es de segundo orden. Contiene dos elementos reactivos como se muestra en la Figura correspondiente.
Un par de elementos crea la respuesta de paso bajo \((R_1C_1)\), y el otro par crea la respuesta de paso alto \((R_2C_2)\). Debido a esto, las pendientes de atenuación definitivas son \(\pm 6\) dB.
La ganancia máxima para este circuito es:
\[A_v = −2Q^2\]
Se puede ver en la Ecuación que mayores \(Q\) s producirán mayores ganancias. Para un \(Q\) de 10, la ganancia de voltaje será de 200.
Para que este circuito funcione correctamente, la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional utilizado debe ser mayor a 200 en la frecuencia central elegida. Por lo general, se incluye un factor de seguridad de 10 para mantener la estabilidad alta y la distorsión baja.
Al combinar estos factores, podemos determinar el mínimo aceptable \(f_{unity}\) para el amplificador operacional.
\[f_{unity} \geq 10 f_o A_v\]
o más directamente,
\[f_{unity} \geq 20 f_o Q^2\]
Para una \(Q\) de 10 y una frecuencia central de 2 kHz, el amplificador operacional necesitará una \(f_{unity}\) de al menos 4 MHz.
No es posible utilizar este tipo de filtro para alta frecuencia, \(Q\) trabajo alto, ya que los amplificadores operativos estándar pronto “se quedan sin vapor”. Aparte de esta dificultad, las altas ganancias producidas por valores incluso moderados para bien \(Q\) pueden ser poco prácticas.
Versión de ganancia unitaria
Para muchas aplicaciones, se preferiría una versión de ganancia de unidad. Esto no es particularmente difícil de lograr. Todo lo que tenemos que hacer es atenuar la señal de entrada por un factor igual a la ganancia de voltaje del filtro.
Debido a que la magnitud de ganancia del filtro es \(2Q^2\), la atenuación debe ser:
\[Attenuation = \frac{1}{2Q^2}\]
Si bien es posible colocar un par de resistencias frente al filtro para crear un divisor de voltaje, hay una manera más eficiente. Podemos \(R_1\) dividirnos en dos componentes, como se muestra en la Figura correspondiente.
Siempre y cuando el equivalente de Thevenin de \(R_{1a}\) y \(R_{1b}\) como se ve desde el amplificador operacional sea igual al valor de \(R_1\), la frecuencia de sintonización del filtro no se cambiará.
También se requiere que la relación del divisor de voltaje producida por \(R_{1a}\) y \(R_{1b}\) satisfaga la ecuación de atenuación.
Primero, determinemos la relación de las dos resistencias. Podemos comenzar fijando \(R_{1b}\) al valor arbitrario \(K\). Usando la regla del divisor de voltaje y la ecuación de atenuación, \(R_{1a}\) se encuentra:
\[R_{1a} = K(2Q^2−1)\]
Entonces, vemos que \(R_{1a}\) debe ser \(2Q^2−1\) veces más grande que \(R_{1b}\).
Ahora debemos determinar el valor de \(K\) el cual se establecerá la combinación paralela de \(R_{1a}\) y \(R_{1b}\) al valor requerido de \(1/(2Q)\), como basado en la Figura correspondiente.
\[K = \frac{Q}{2Q^2−1}\]
Debido a \(R_{1b}\) que se fijó en \(K\),
\[R_{1b} = \frac{Q}{2Q^2−1} \Omega\]
Sustituyendo la ecuación correspondiente en la expresión anterior se obtiene:
\[R_{1a} = Q \Omega\]
Al usar estos valores para \(R_{1a}\) y \(R_{1b}\), el filtro tendrá una ganancia máxima de unidad.
Tenga en cuenta que como este esquema solo atenúa la señal antes de la ganancia, el \(f_{unity}\) requisito establecido en las ecuaciones anteriores sigue siendo cierto.
Ejemplo de diseño de un filtro paso banda
Diseñe un filtro que solo pase frecuencias de 800 Hz a 1200 Hz. Asegúrese de que esta es una realización de ganancia de unidad.
Primero, debemos determinar la frecuencia central, ancho de banda, y \(Q\).
\[BW = f_2−f_1\]
\[BW = 1200 Hz − 800 Hz\]
\[BW = 400 Hz\]
\[f_o = \sqrt{f_1 f_2}\]
\[f_o = \sqrt{800 Hz \times 1200 Hz}\]
\[f_o = 980 Hz\]
\[Q = \frac{f_o}{BW}\]
\[Q = \frac{980 Hz}{400 Hz}\]
\[Q = 2.45\]
El \(Q\) es demasiado alto para usar filtros separados de paso alto y bajo, pero suficientemente bajo para que se pueda usar un tipo de retroalimentación múltiple.
Antes de continuar, debemos verificar para asegurarnos de que lo requerido \(f_{unity}\) para el amplificador operacional sea razonable.
\[A_v = −2Q^2\]
\[A_v = −2 \times 2.45^2\]
\[A_v = −12\]
\[f_{unity} \geq 10 A_v f_o\]
\[f_{unity} \geq 10 \times 12 \times 980 Hz\]
\[f_{unity} \geq 117.6 kHz\]
Práctico cualquier amplificador operacional moderno excederá la \(f_{unity}\) especificación. Como este circuito muestra una ganancia de 12, se utilizará la variación de ganancia unitaria mostrada en la Figura correspondiente.
Los cálculos para los componentes normalizados siguen.
\[R_2 = 2Q\]
\[R_2 = 2 \times 2.45\]
\[R_2 = 4.9 \Omega\]
\[R_{1b} = \frac{Q}{2Q^2−1}\]
\[R_{1b} = \frac{2.45}{2\times 2.45^2−1}\]
\[R_{1b} = .2226 \Omega\]
Se necesita un escalado de impedancia adicional para valores de componentes prácticos. Un factor de unos pocos miles más o menos sería apropiado aquí.
Para que los cálculos sean simples, elegiremos 10 k. Cada resistencia se incrementará en 10 k y cada condensador se reducirá en 10 k.
El filtro escalado final se muestra en la Figura correspondiente.
Respuesta en frecuencia y simulación
La simulación Multisim del circuito de Ejemplo se muestra en la Figura correspondiente. Tenga en cuenta que la ganancia es de 0 dB en la frecuencia central aproximada (aproximadamente 1 kHz).
Además, se ven claramente los puntos de interrupción de −3 dB de 800 Hz y 1200 Hz. También se grafica la respuesta de fase de este filtro.
Tenga en cuenta la transición de fase muy rápida en el área alrededor \(f_o\). Si se incrementara el \(Q\) de este circuito, esta transición sería aún más rápida.
En simulaciones como esta, es muy importante que se empleen modelos de amplificador operacional realistas. Si se usa una versión sobreidealizada, el comportamiento no ideal debido a una reducción de la ganancia de bucle pasará desapercibido.
Este error es más probable que ocurra en circuitos con frecuencias centrales altas y/o altas \(Q\) s. Puede verificarlo traduciendo el filtro a una frecuencia más alta y volviendo a ejecutar la simulación.
Por ejemplo, si \(C_1\) y \(C_2\) se disminuyen en un factor de 1000, la frecuencia central debe moverse hasta aproximadamente 1 MHz.
Si la simulación se ejecuta de nuevo con un rango apropiado de frecuencias de prueba, verá que el ancho de banda limitado del amplificador operacional \(\mu\) A741 corta prematuramente la respuesta del filtro.
El resultado es una frecuencia de pico más de una octava por debajo del objetivo, una amplitud máxima varios dB por debajo de 0 y una curva de respuesta asimétrica.
La gráfica de fases que acompaña también muestra una gran desviación del filtro ideal. Un desplazamiento de fase excesivo en las frecuencias medias y altas es claramente evidente.
Filtro de variable de estado
Como se señaló anteriormente, el filtro de retroalimentación múltiple no es adecuado para alta frecuencia o \(Q\) trabajo alto. Para aplicaciones que requieren \(Q\) s de aproximadamente 10 o más, el filtro variable de estado es la forma de elección.
La variable de estado a menudo se conoce como el filtro universal, ya que las salidas de paso de banda, paso alto y paso bajo están disponibles. Con componentes adicionales, también se puede formar una salida de rechazo de banda.
A diferencia de las formas de filtro anteriores examinadas, el filtro básico de variable de estado requiere tres amplificadores operacionales. Además, es un tipo de segundo orden, aunque son posibles tipos de orden superior.
Esta forma recibe su nombre del análisis estado-variable. Uno de los primeros usos de los amplificadores operacionales fue en la construcción de computadoras analógicas.
Se utilizaron interconexiones de diferenciadores, amplificadores, veranos e integradores para resolver electrónicamente ecuaciones diferenciales que describían sistemas físicos.
El análisis de variables de estado proporciona una técnica para resolver ecuaciones diferenciales involucradas. De hecho, las ecuaciones pueden describir las características de un filtro requerido.
Aunque no examinaremos el análisis de variables de estado, esto no excluye un estudio del filtro estado-variable.
Ventajas del filtro estado-variable
- Es relativamente fácil sintonizar electrónicamente en un amplio rango de frecuencias.
- Es posible ajustar independientemente la frecuencia \(Q\) y sintonización.
- Ofrece la posibilidad de crear otros filtros, más complejos, ya que tiene múltiples salidas.
- Permite obtener simultáneamente respuestas paso banda, paso alto y paso bajo.
Diseñar con filtros variables de estado no es realmente más complejo que nuestro trabajo anterior. Además de su capacidad para proporcionar filtros estables con \(Q\) s relativamente altos, la variable estado tiene otras características únicas.
Funcionamiento interno del filtro estado-variable
El filtro de variable de estado se basa en integradores. La forma general utiliza un amplificador sumador y dos integradores, como se muestra en la Figura correspondiente.
Para entender cómo funciona este circuito a nivel intuitivo, recuerde que los integradores son básicamente filtros de paso bajo de primer orden.
Como puede ver, la salida extrema derecha ha pasado a través de los integradores y produce una respuesta de paso bajo. Si la salida de paso bajo se suma desfasada con la señal de entrada, la información de baja frecuencia se cancelará, dejando solo los componentes de alta frecuencia.
Por lo tanto, la salida del verano es la salida de paso alto del filtro. Si la señal de paso alto está integrada (usando la misma frecuencia crítica), el resultado será una respuesta de paso de banda.
Esto se ve en la salida del primer integrador. La señal de paso de banda también se enruta de nuevo al amplificador sumador de entrada.
Al cambiar la cantidad de la señal que se retroalimenta, la respuesta cerca de la frecuencia crítica puede alterarse, ajustando efectivamente el filtro \(Q\).
Finalmente, el bucle se completa integrando la respuesta de paso banda, que produce la salida de paso bajo.
En efecto, el rolloff de −6 dB por octava del segundo integrador compensa perfectamente la respuesta de paso de banda ascendente a continuación \(f_o\).
Esto produce una respuesta plana a continuación \(f_o\). Arriba \(f_o\), la combinación de las dos curvas de respuesta descendente produce la respuesta esperada de segundo orden, paso bajo.
Versiones de ganancia fija y ganancia ajustable
Dos formas populares de configurar el filtro variable de estado son las formas de ganancia fija y ganancia ajustable.
La forma de ganancia fija se muestra en la Figura correspondiente. Este circuito utiliza un total de tres amplificadores operacionales.
El \(Q\) del circuito está configurado por una sola resistencia, \(R_Q\). \(Q\)s hasta 100 son posibles con filtros de variable de estado.
Para las salidas de paso alto y bajo, la ganancia de este circuito es la unidad. Para la salida de paso de banda, la ganancia es igual a \(Q\).
Filtro paso banda activo con amplificador operacional
El filtro Pasa Banda tiene la siguiente curva de respuesta de frecuencia. Dejará pasar todas las tensiones de la señal de entrada que tengan frecuencias entre la frecuencia de corte inferior f1 y la de corte superior f2.
Las tensiones fuera de este rango de frecuencias serán atenuadas y serán menores al 70.7 % de la tensión de entrada.
La frecuencia central de este tipo de filtro se obtiene con la siguiente fórmula:
fo = 1/[ 2πC x (R3R)1/2]
Si se seleccionan los condensadores y resistencias de modo que: C1 = C2 = C y R1 = R2 = R, el ancho de banda será:
BW = f2 - f1 = 1.41 R / [CR3 (R3R)1/2].
El factor de calidad Q = fo / BW.
Las líneas discontinuas verticales sobre f1 y f2 y la línea horizontal del 70.7% representan la respuesta de un filtro pasa banda ideal.
Notas: F1 y f2 (frecuencias de corte) son puntos en la curva de transferencia en que salida ha caído 3 dB (decibeles) desde su valor máximo.
Filtro paso banda con amplificador dual
A continuación se muestra el proyecto filtro pasa banda con amplificador dual que permite el paso de una banda de frecuencias y atenúa todas las demás.
Tiene dos características principales, la primera es que se realiza usando dos amplificadores operacionales y la segunda es que permite altos valores de factor de calidad y de frecuencia central.
La función de transferencia es la siguiente:
El circuito se modificara de la siguiente manera:
La nueva función de transferencia es la siguiente:
Las ecuaciones de diseño se muestran a continuación:
Donde fo es la frecuencia central, A es la ganancia y Q es el factor de calidad.
Tenga en cuenta - Los valores de R4 y C son libres, escoja los más adecuados.
El filtro pasa banda con amplificador dual permite manejar frecuencias altas asi mismo altos valores de factor de calidad con relativa facilidad.
El nombre de filtro con amplificador dual se debe a que en el circuito se usan dos amplificadores operacionales, idealmente estos dos amplificadores deben pertenecer al mismo circuito integrado.
Ejemplo de 10 kHz, 3 kHz y ganancia unitaria
Diseñe un filtro pasa banda con amplificador dual con frecuencia central fo de 10kHz, ancho de banda B de 3kHz y ganancia A de uno.
Solución. Hallamos el valor del factor de calidad:
Se elige C de un valor de 10nF. Hallamos el valor de R:
Hallamos el valor de R1:
Hallamos ahora el valor de R2:
Se elige R4 de un valor de 10kΩ (se puede elegir el que se desee). Hallamos el valor de R3:
El circuito queda de la siguiente manera:
La línea de color verde es la magnitud y la línea de color amarillo es la fase. Se puede ver que la frecuencia central es de 10kHz y que la ganancia es de 1.
Ejemplo con frecuencias de corte de 900 Hz y 1111 Hz
Diseñe un filtro pasa banda con amplificador dual con frecuencias de corte 900Hz y 1111 Hz y ganancia A de 5.
Solución. Hallamos ahora el factor de calidad:
Se elige 100nF como valor de C. Hallamos ahora el valor de R:
Hallamos el valor de R1:
Ahora hallamos el valor de R2:
Se escoge 2.2kΩ como valor de R4. Ahora hallamos el valor de R3:
El circuito queda de la siguiente manera:
La frecuencia central está ubicada en 10kHz y la ganancia es de 5.
Ejemplo con frecuencia central de 10 kHz y Q de 10
Diseñe un filtro pasa banda con amplificador dual con frecuencia central fo de 10kHz, factor de calidad de 10 y ganancia de 10.
Se escoge 30nF como valor de C. Hallamos el valor de R:
Ahora hallamos el valor de R1:
Hallamos el valor de R2:
Se elige R4 de un valor de 2.2kΩ. Hallamos el valor de R3:
El circuito queda de la siguiente manera:
La magnitud es la línea de color verde y la fase es la línea de color amarilla. Se puede observar que la frecuencia central es de 10kHz y la ganancia A es de 10.
Filtro paso banda como circuito acondicionador
La señal procedente del TIA puede contener ruido, interferencias y componentes fuera de la banda útil. Un filtro paso banda permite conservar la zona de frecuencia de interés y atenuar las componentes inferiores y superiores.
En una aplicación de acondicionamiento, el filtro debe colocarse a la entrada de un amplificador de respuesta plana y el amplificador debe tener parlantes que reproduzcan las frecuencias respectivas.
Un filtro pasa banda se debe colocar a la entrada de un amplificador de respuesta plana y el amplificador debe tener parlantes que reproduzcan las frecuencias respectivas.
Si vamos a usar el filtro pasa altos, debemos colocar solo tweeters en la salida del amplificador. Si vamos a usar el filtro pasa medios, debemos usar parlantes medios y si es el filtro pasa bajos, por lógica debemos usar un woofer.
Para un circuito acondicionador electrónico, esta misma idea se aplica sustituyendo los parlantes por la siguiente etapa de medición, control o procesamiento, cuya respuesta debe ser compatible con la banda seleccionada.
Filtro paso alto, paso medio y paso bajo
Un filtro pasa altos es un circuito electrónico que recibe a su entrada el rango de frecuencias completo y entrega únicamente las frecuencias altas. En el proceso son atenuadas las frecuencias bajas y medias dejando pasar las frecuencias altas.
El filtro pasa medio es circuito electrónico que recibe a su entrada el rango de frecuencias completo y entrega únicamente las frecuencias medias. En el transcurso son atenuadas las frecuencias bajas y altas dejando pasar las frecuencias medias.
El filtro pasa bajos completa la selección de bandas al conservar las frecuencias inferiores y atenuar las superiores.
Para el caso de un acondicionador basado en TIA, la combinación de un paso alto y un paso bajo puede realizar la función de paso banda, especialmente cuando el factor de calidad requerido es bajo.
Amplificadores operacionales y frecuencia de trabajo
La elección del amplificador operacional debe considerar la frecuencia central, la ganancia, el ancho de banda, el ruido, la corriente de polarización, la capacidad de entrada y la estabilidad del conjunto.
No es posible utilizar un filtro de retroalimentación múltiple para alta frecuencia y \(Q\) elevado si el amplificador operacional no dispone de suficiente ganancia de bucle abierto en la frecuencia central.
En simulaciones como esta, es muy importante que se empleen modelos de amplificador operacional realistas. Si se usa una versión sobreidealizada, el comportamiento no ideal debido a una reducción de la ganancia de bucle pasará desapercibido.
Este error es más probable que ocurra en circuitos con frecuencias centrales altas y/o altos factores \(Q\). La reducción de la ganancia de bucle puede desplazar la frecuencia de pico, reducir la amplitud máxima, deformar la respuesta y alterar la fase.
Estabilidad del conjunto TIA y filtro
Un TIA y un filtro activo no deben analizarse como bloques completamente independientes cuando están conectados directamente. La impedancia de salida de la etapa de transimpedancia, la impedancia de entrada del filtro, las capacidades parásitas y la respuesta del amplificador operacional modifican la transferencia total.
Un enfoque estándar es agregar un condensador de retroalimentación a través de la resistencia de retroalimentación para abordar el potencial de oscilación. Es una estrategia eficaz, pero la estrecha interactividad entre los elementos del sistema significa que los cambios en uno pueden tener un impacto significativo en todos los demás.
Por ello, una modificación en el condensador del TIA puede cambiar simultáneamente la frecuencia de corte, el margen de fase, la ganancia, el ruido y la respuesta del filtro paso banda.
La verificación debe realizarse observando la respuesta de magnitud y fase, la señal temporal, el ruido, la posible oscilación y el comportamiento con la carga conectada.
Secuencia práctica de diseño
- Definir la corriente máxima y mínima que debe convertir el TIA.
- Establecer la tensión de salida admisible y la resistencia de retroalimentación.
- Determinar la frecuencia central \(f_o\), las frecuencias de corte \(f_1\) y \(f_2\), el ancho de banda \(BW\) y el factor \(Q\).
- Elegir una topología de retroalimentación múltiple, estado-variable o una cascada de paso alto y paso bajo.
- Comprobar la ganancia requerida y el margen de salida del amplificador operacional.
- Comprobar la frecuencia de unidad y la ganancia de bucle abierto en la frecuencia central.
- Incorporar la compensación necesaria en el TIA y verificar la estabilidad del conjunto.
- Simular la ganancia, la fase, el ruido y la respuesta ante las tolerancias de los componentes.
- Medir el circuito real en las condiciones de carga previstas.
Además, dado que la señal típica del fotodiodo es muy pequeña, puede haber múltiples etapas de transimpedancia dentro del sistema para optimizar el equilibrio entre el ruido y el ancho de banda.
Si la primera etapa TIA da como resultado una ganancia demasiado alta, el ancho de banda alcanzable será limitado. Si la ganancia es demasiado baja, se degradará la relación señal-ruido (SNR).
El filtro paso banda con amplificador dual permite manejar frecuencias altas asi mismo altos valores de factor de calidad con relativa facilidad.
Para \(Q\) s de aproximadamente 10 o más, el filtro variable de estado ofrece una alternativa adecuada porque permite ajustar de manera independiente la frecuencia y el factor de calidad, además de proporcionar varias respuestas de salida.
Medir la respuesta en frecuencia (amplitud) de un filtro RC
La comprobación experimental de la respuesta permite verificar la frecuencia central, los puntos de −3 dB, la ganancia, la fase y la presencia de resonancias no previstas. La medición debe realizarse con el TIA, el filtro y la carga que se utilizarán en el circuito acondicionador.
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