Los entresijos de los amplificadores 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.

Teóricamente hablando, eso es TIA en pocas palabras. 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.

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).

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.