Les tenants et les aboutissants des amplificateurs à transimpédance

À son niveau le plus élémentaire, un système de communication optique utilise un émetteur pour coder un message en un signal optique ; un canal, pour transporter ce signal vers une destination ; et un récepteur, pour redonner au signal sa forme originale et lisible.

Un composant clé à l'extrémité réceptrice du système est un dispositif capable de convertir l'énergie lumineuse en un signal électrique. Ce dispositif, appelé photodiode ou photodétecteur, est conçu pour laisser passer le courant en présence de lumière et pour empêcher le passage du courant en l'absence de lumière. Pour transformer ce courant en un signal utilisable, une configuration de circuit électrique commune est utilisée : un amplificateur à transimpédance, ou TIA. 

La configuration TIA comprend généralement un amplificateur opérationnel (ampli-op), l'un des dispositifs les plus largement utilisés dans la conception électronique. Un amplificateur opérationnel est capable d'un gain énorme : il peut prendre un signal d'entrée minuscule et le transformer en un signal de sortie fortement amplifié. Parce que le gain de l'ampli-op est si extrême, une résistance de rétroaction est intégrée à la configuration. Cette configuration, comme le montre le schéma de droite, convertit efficacement un signal de courant de photodiode de bas niveau en une sortie de tension utilisable - entrée de courant, sortie de tension.

Théoriquement parlant, c'est TIA en un mot. Pourtant, dans la pratique, il est difficile d'instaurer la stabilité dans le système. Une approche standard consiste à ajouter un condensateur de rétroaction à travers la résistance de rétroaction afin de traiter le potentiel d'oscillation. C'est une stratégie efficace, mais l'interactivité étroite entre les éléments du système signifie que les modifications apportées à l'un peuvent avoir un impact significatif sur tous les autres. Cela se traduit par la nécessité de prendre des décisions concernant les compromis acceptables dans le cadre de l'optimisation du circuit - les exemples incluent le gain souhaité, le niveau de bande passante à atteindre et la quantité de bruit qui peut être tolérée.

De plus, étant donné que le signal de photodiode typique est très faible, il peut y avoir plusieurs étages de transimpédance dans le système pour optimiser l'équilibre entre le bruit et la bande passante. Si le premier étage TIA donne un gain trop élevé, la bande passante atteignable sera limitée. Si le gain est trop faible, le rapport signal sur bruit (SNR) sera dégradé.

Il convient de noter que les TIA sont utilisés dans un grand nombre d'applications au-delà de la communication optique. En termes simples, ce sont des composants essentiels de tout système qui mesure la lumière : lecteurs de disques compacts, équipement de vision nocturne, télécommandes infrarouges et bien d'autres. Grâce à une meilleure compréhension des principes TIA et à une expérience des défis TIA, les concepteurs de réseau peuvent apporter de la polyvalence à un large éventail de tâches.