Development of transimpedance amplifiers for different input frequency values

Fiziksel dünyadaki zayıf analog verileri okuyup sayısala çevirebilmek için analog ön yüz devreleri kullanılmaktadır. Transempedans yükselteç (TIA), zayıf akımı gerilime çeviren bir analog ön yüz devresidir. Transempedans yükselteçler; elektro kimyasal biyosensörlerde, elektrofizyoloji çiplerinde, nanopore ve iyon kanallı sensörlerde, elektromekanik DNA sensörlerde, fotodiyot uygulamalarda, kapasitif sensörlerde, CMUT vb. çeşitli uygulama alanlarına sahiptir. Bu tez çalışmasında analog ön yüz devrelerinden transempedans yükselteçler incelenmiştir. Yapılan simülasyon ve testlerin sonucunda OPAMP temelli farklı AC frekansa sahip (10 kHz -10 MHz) gürültüsü minimum, kazanç değeri yüksek olacak şekilde verimli, kullanım alanlarına göre etkin transempedans yükselteçler optimize edilmiştir. TIA devresi LF347 ve LTC6244HV yükselteçleri kullanılarak 1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ, 1 MΩ, 10 MΩ, 100 MΩ empedans değerleri için TIA'ya paralel olarak yerleştirilen uygun kapasitörlerle devrenin stabilizasyon durumunu yeterli duruma getirip kazanç, gürültü, kazanç-gürültü oranı (SNR) ölçülmüştür. Bu testler sinüs ve kare dalga girişleri için ayrı ayrı yapılmıştır. Bu çalışma 1 pF, 10 pF, 100 pF ölçülecek kapasitör değerleri için ayrı ayrı yapılmıştır. Sonrasında farklı frekanslardaki tüm değerler için pcb devreler yapılıp osiloskop ile ölçümler yapılmıştır. LF347 yükselteci için 1pF için diğer kapasitans değerlerindeki testlere nispeten geniş çalışma aralığında ancak düşük kazanç olduğu gözlemlenmiştir. 10 pF ve 100 pF kapasitans değeri için ise çalışma frekansı azalmasına rağmen SNR ve kazanç değerleri artmıştır. LTC6244HV yükselteci içinde kapasitans değeri arttıkça kazanç ve SNR değerleri artarken çalışma frekans değerleri azalmıştır. LF347'ye oranla daha büyük kazanç ve daha geniş çalışma alanına sahiptir, ancak maliyeti daha yüksektir. Devreye sinüs dalga ya da kare dalga vermenin avantajları ve dezavantajları olduğu gözlenmiştir. Uygulama alanlarına göre seçim yapılabilir. Simülasyonlarda yüksek kazancın olduğu durumlarda devrede stabilizasyon sorunları ortaya çıktığı görülmüştür. Bunu önlemek için yükseltece paralel küçük değerde kapasitörler kullanılıp stabilizasyon sorunu çözülebilmektedir. Kazanç-kararlılık dengesini kurmak ve TIA'yı en optimize duruma getirmek tezin en başlıca amaçlarındandır. Verimli uygulama alanlarına göre yüksek kazanç, bant genişliği ya da stabilizasyon değerleri arasında TIA'ların optimizasyonu farklı freakans değerlerinde gerçekleştirilmiştir.Analog front-end circuits are used to read and digitize weak analog data in the physical world. Transimpedance amplifier (TIA) is an analog front-end circuit that converts a weak current to a voltage. Transimpedance amplifiers have various application areas such as; electrochemical biosensors, electrophysiology chips, nanopore and ion channel sensors, electromechanical DNA sensors, photodiode applications, capacitive sensors, CMUT and so on. has various application areas. In this thesis study, transimpedance amplifiers have been investigated from analog front - end circuits. As a result of the simulations and tests, effective transimpedance amplifiers are optimized according to their usage areas, with OPAMP based different AC frequency (10 kHz -10 MHz) minimum noise, high gain value. With the appropriate capacitors placed in parallel with the TIA for impedance values of 1 kΩ, 10 kΩ, 100 kΩ, 1 MΩ, 10 MΩ, and 100 MΩ using the TIA circuitry LF347 and LTC6244HV amplifiers, the stabilization condition of the circuit is made adequate and the gain, noise, signal-to-gain ratio (SNR) were measured. These tests were performed separately for sine and square wave inputs. This work was done separately for input capacitor values of measure 1 pF, 10 pF, 100 pF. Afterwards, pcb circuits were made for all values in input different frequencies and measurements were made with an oscilloscope. Tests with other capacitance values for 1 pF for the LF347 amplifier have been observed to have a low gain over a relatively wide operating range. For the capacitance values of 10 pF and 100 pF, the SNR and gain values increased despite the decrease in operating frequency. As the input capacitance value in the LTC6244HV amplifier increases, gain and SNR values increase while operating frequency values decrease. Compared to LF347, it has bigger gain and wider working area, but it costs more. The circuit has been observed to have the advantages and disadvantages for sine wave or square wave. Selection can be made according to application areas. In the case of high gain in simulations, stabilization problems appeared in the circuit. In order to prevent this, the stabilization problem can be solved by using small parallel capacitors. Establishing a gain-stability balance and bringing TIA to the most optimistic state is the main objective of the thesis. Optimization of TIAs between high gain, bandwidth or stabilization values according to efficient application areas has been achieved at different frequency values