Schema

Theorie

Ein Transimpedanzverstäker –oder Transimpedanzwandler- ist eine Schaltung, die aus einem Eingangsstrom eine Ausgangsspannung erzeugt. Die Ausgangsspannung ist linear abhängig vom Eingangsstrom. Z.B. könnte die Übertragungsfunktion lauten:

Vout = A*Iin,

was bedeuten würde, dass ein Eingangsstrom Iin von 1mA bei einer Verstärkung von A = 200 eine Ausgangsspannung von 0.2V erzeugt. Damit die Übertragungsfunktion auch mit den Einheiten aufgeht, ist hier die Verstärkung A ausnahmsweise nicht einheitslos, sondern hat die Einheit Ohm:
Vout = A * Iin

0.2V = 200Ohm * 1mA

Wichtig ist, dass mit dem Transkonduktanzverstärker nur Stromquellen abgegriffen werden können und nicht etwa Spannungsquellen. Weil der Eingang des Transkonduktanzverstärkers niederohmig ist, kann er nur Quellen sauber abgreifen, die einen hochohmigen Ausgang haben.

Mit einem Operationsverstärker lässt sich die Schaltung auf einfache Weise umsetzen. Sie gleicht der invertierenden Verstärkerschaltung, kommt aber ohne R2 aus. R1 sorgt für eine Gegenkopplung, wodurch der invertierende Eingang eine Virtuelle Masse mit dem Potential von 0V wird.
Der Strom, am Eingang wird also auf ein GND Potential geleitet und fliesst anschliessend in R1. Dort verursacht er einen Spannungsabfall. Der Operationsverstärker regelt seinen Ausgang automatisch so, dass am invertierenden Eingang immer 0V liegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers muss deshalb den Wert Iin * R1 annehmen.

Da es sich um eine invertierende Operationsverstärkerschaltung handelt, findet eine Vorzeichenumkehrung statt und der Verstärker liefert eine negative Ausgangsspannung. Somit lautet die Übertragungsfunktion korrekterweise:
Vout = -Iin * R1

Abgriff hochohmiger Signalquellen

Eine Signalquelle mit einem hohen Innenwiderstand kann mit einem Transimpedanzwandler abgegriffen werden, so dass eine nachfolgende Schaltung mit ihrem Ausgangssignal weiterarbeiten kann.

Kombination zum invertierenden Verstärker

Eine hochohmige Signalquelle und ein Transimpedanzverstärker bilden zusammen eine Schaltung, die die gleiche Funktion hat, wie eine niederohmige Signalquelle und eine invertierende Operationsververstärker Grundschaltung. Der Innenwiderstand der Signalquelle bildet dabei den Eingangswiderstand der Operationsverstärkerschaltung, der üblicherweise als R1 bezeichnet wird.

Kapazitiver Sensor

Eine klassische Anwendung ist die Auswertung eines kapazitiven Sensors, bei dem eine Elektrode von einer Wechselspannungsquelle gespiesen wird und die andere Elektrode an den Transimpedanzverstärker angeschlossen ist.