Transimpedanzverstärker

Ein Transimpedanzverstärker (auch Strom-Spannungs-Wandler oder I-U-Wandler genannt) ist ein elektrischer Verstärker, der einen Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umwandelt. Es handelt sich also um eine stromgesteuerte Spannungsquelle.

Transimpedanzverstärker

Das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsstrom wird als Transimpedanz

$Z = \left|\frac{U_a}{I_e}\right|$

bezeichnet, die die gleiche Einheit wie eine Impedanz (Volt pro Ampere) hat.

Idealerweise hat ein Transimpedanzverstärker den Eingangswiderstand Null und einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand^[1].

Funktionsbeschreibung

Eine typische Schaltung eines Transimpedanzverstärkers ist nebenstehend abgebildet. Die Verstärkerschaltung besteht aus einem „herkömmlichen“, spannungsgesteuerten Operationsverstärker (VV-OPV) und ist nicht mit dem Bauelement des stromrückgekoppelten Operationsverstärker (CV-OPV) zu verwechseln.

Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers liegt auf Masse; in den invertierenden Eingang wird ein Stromsignal geschickt. Der Operationsverstärker ist mit einem ohmschen Widerstand R gegengekoppelt. Der Operationsverstärker sorgt mit seiner sehr hohen Verstärkung und der Gegenkopplung durch R dafür, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden OPV-Eingängen nur Bruchteile eines Millivolts beträgt. Dadurch wird der Verbindungspunkt von Stromquelle I, R und dem OPV-Eingang eine sogenannte virtuelle Masse, die für Ströme tatsächlich wie ein Kurzschluss nach Masse wirkt. Der zu messende Strom verursacht einen konstanten Spannungsabfall null.

Als Folge der Knotenregel, der zufolge die vorzeichenrichtige Summe aller Ströme an diesem Punkt Null ist (in den OPV-Eingang fließt idealerweise kein Strom), ergibt sich an R die Ausgangsspannung U_a zu:

$U_a = -R \cdot I$

beziehungsweise die Verstärkung bzw. Transimpedanz Z in Volt pro Ampere:

Z = − R

Praktisch bedeutet das Vorzeichen, dass ein von der Masse weg fließender (also zum OPV hin fließender) Messstrom eine negative Ausgangsspannung verursacht. Der Vorteil gegenüber einer Strommessung mittels Shunt ist der vernachlässigbare Spannungsabfall der Strommessung mittels Transimpedanzverstärker.

Anwendung

Der Transimpedanzverstärker wird unter anderem in der Messtechnik eingesetzt, um präzise Messungen kleiner Ströme (z. B. Fotoströme) zu ermöglichen^[2]. Ein für Messzwecke geeigneter Betriebsmodus für die typischerweise daran betriebenen Fotodioden ist der Quasikurzschluss: die Fotodiode erzeugt einen Fotostrom, ohne dass eine Spannung an ihren Anschlüssen anliegt. In diesem Modus ist der Fotostrom über viele Größenordnungen zum einfallenden Licht streng proportional. Im Quasikurzschluss betriebene Fotodioden werden üblicherweise mit ihrer Kathode an den Eingang und mit der Anode an Masse angeschlossen, sodass sich bei Lichteinfall eine positive Ausgangsspannung ergibt und der OPV zudem meist keine symmetrische Betriebsspannung benötigt. Um über mehrere Größenordnungen messen zu können, gibt es umschaltbare beziehungsweise programmierbare Transimpedanzverstärker.

Quellen

1. ↑ Optoelektronik II, G.Winstel C.Weyrich, Springer Verlag 1986. S.86, ISBN 3-540-16019-1
2. ↑ Optische Informationsübertragung mit Lichtwellenleitern, D.Rosenberger, expert verlag 1982, S.117, ISBN 3-88508-809-6

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12 Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.

Siehe auch

• Stromspiegel
• Impedanzwandler
• Ladungsverstärker

Weblinks

 Commons: Transimpedanzverstärker – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien