Estoy trabajando en un amplificador de transimpedancia de bajo ruido (TIA) para la detección de señales ópticas débiles. El objetivo es lograr un ancho de banda de 10MHz con un piso de ruido de voltaje blanco de 10-20nV / rtHz. Estoy usando el fotodiodo FGA21 y el amplificador operacional OPA847 con una resistencia de retroalimentación de 10kohm que funciona en modo fotoconductor.
Las especificaciones clave incluyen:
- Ganancia de ancho de producto: GBW = 3.9GHz
- Ruido de voltaje de entrada: e_n = 0.85nV / rtHz
- Ruido de corriente de entrada: i_n = 2.5pA / rtHz
- capacitancia del fotodiodo: C_d = 100pF @ 3V de polarización
El diseño de PCB siguió muchas de las técnicas de diseño sugeridas (minimizando la longitud de la pista, pasando componentes de retroalimentación debajo del amplificador operacional, aislando pistas sensibles del plano de tierra, etc.). Además, el suministro de voltaje se filtró fuertemente utilizando condensadores de desacoplamiento y el amplificador operacional OPA820 se usó para amortiguar la salida.
Se tomaron dos espectros de ruido, uno donde la capacitancia de retroalimentación se dejó abierta y otra donde se configuró a 1.5pF:
Las líneas discontinuas representan las curvas de ruido teóricas correspondientes. Claramente, el condensador hace que el pico de ruido se amplíe y cambie de frecuencia, esto contradice la teoría que sugiere que un condensador de retroalimentación amortigua la ganancia de transimpedancia y reduce el ruido de alta frecuencia.
Para probar esto aún más, se construyó un circuito sin el fotodiodo, en su lugar se agregó un condensador de 100pF para imitar la capacitancia de unión del diodo y se volvieron a tomar las mediciones de ruido:
En este circuito, la adición de un condensador de retroalimentación hace que el ruido se amortigüe de manera similar a como lo predice la teoría, sugiriéndome que el modelo de fotodiodo simple de una capacitancia de unión y una fuente de corriente puede no ser completamente exacto. Sin embargo, al buscar en la literatura aún no he encontrado discusiones sobre las limitaciones de este modelo, ni he visto ningún ejemplo de este comportamiento.
Entonces, me pregunto si alguien más se ha encontrado con este problema antes o puede entender cómo la adición de un solo condensador causa una gran disparidad entre la teoría y el experimento.
(Por favor, disculpe la falta de diagramas de circuitos, soy un usuario nuevo y hasta ahora solo puedo adjuntar dos enlaces por pregunta)
Editar: Aquí está el diseño de PCB para el TIA con fotodiodo:
y aquí está el esquema del circuito (vale la pena señalar que el filtro de paso bajo entre los amplificadores operacionales no se usó, el capacitor se dejó abierto):
Edición 2: Observe en los diagramas de circuito anteriores que el fotodiodo no está polarizado en sentido inverso, en todos los espectros de ruido mostrados está soldado en el sesgo correcto
fuente
Respuestas:
No estoy seguro específicamente sobre el ruido en su circuito, pero aquí hay una guía de ayuda bastante extensa para diseñar circuitos TIA:
http://www.linear.com/solutions/5633
No puedo decir si ha anulado la tierra y el plano de potencia en su rastro de entrada desde el fotodiodo. Sin embargo, puede intentar lo siguiente. Coloque la tapa de entrada y la resistencia en el extremo (lápida). Suelde un cable muy fino (40AWG quizás) desde un extremo que está en el aire hasta el pin de salida del fotodiodo. Esto minimizará la capacitancia de entrada y, por lo tanto, le dará la mejor respuesta de alta frecuencia.
Otra cosa menos drástica para intentar es recortar las almohadillas de Rf y Cf al mínimo posible, luego soldarlas en el tablero de lado. La capacitancia de entrada parasitaria es su enemigo a altas frecuencias, y ambas ideas tienen como objetivo minimizarlo. Aunque es costoso en la producción en masa, puede darle algunas ideas para mejorar su rendimiento.
Algunas otras ideas: use 0402 en lugar de 0805 o 0603. Esto también disminuirá la capacitancia de entrada.
Otra idea que también estaba en la literatura de LT era ejecutar una traza de tierra entre las almohadillas de su resistencia de entrada. Esto lleva la intensidad del campo a 0. Sinceramente, no tengo una buena idea de cómo ayuda esto, pero envuelven algunas palabras en el enlace que di arriba.
¡Buena suerte! Debería publicar algunas capturas de pantalla de su respuesta de frecuencia y decirnos qué hizo, qué funcionó y qué no.
fuente
Su capacitor de retroalimentación debe ser mayor a 10pF ya que la capacitancia del fotodiodo es mayor.
fuente
El condensador por sí solo tendrá una impedancia mucho más baja que el fotodiodo, por lo que creo que podría esperarse que el circuito sea menos estable. Parece que incluso está resonando un poco en el pico de 10MHz, por lo que es posible que necesite un condensador de retroalimentación más grande. Si 1.5pF está alrededor del valor correcto, entonces usar un condensador de recorte real podría ser conveniente para el ajuste si no aumenta la longitud de la ruta y demasiado.
Yo mismo no estoy familiarizado con la teoría, por lo que solo puedo ofrecer consejos básicos.
fuente
En mi experiencia, parece que está experimentando el modo de retorno de condensador. Lo que está causando que su voltaje cree picos como los suyos. Para solucionar este problema, recomendaría usar un condensador más grande o agregar resistencia adicional al sistema antes del condensador.
fuente