Johdatus Transimpedance vahvistimet Photodiodiodin havaitsemiseen

Transimpedanssivahvistin (TIA) on perusrakenne, jolla fotodiodin pieni virta voidaan muuntaa käyttökelpoiseksi jännitesignaaliksi. Tämä piiri mahdollistaa optisen tehon tarkan mittaamisen sovelluksissa, jotka vaihtelevat kuituoptisesta viestinnästä ja LIDAR-järjestelmästä biolääketieteellisiin sensoreihin ja teollisuuden valoesteisiin. TIA:n on tasapainotettava voitto, kaistanleveys, melu ja vakaus, jotta havaittu signaali voidaan toistaa uskollisesti. Tämä artikkeli tarjoaa perusteellisen oppaan, jolla suunnitellaan vankkaa TIA-piiriä valodiodisignaalin havaitsemista varten, joka kattaa teoreettiset perusteet, komponenttien valinnan, käytännön suunnitteluvaiheet ja kehittyneet näkökohdat.

Photodiodin käyttäytyminen ja nykyinen voltage muuntaminen

Valodiodit tuottavat valovoimaan suhteutettua valoa. Valojohtavassa tilassa (käänteinen harha), valodiodi tarjoaa nopeamman vasteen ja alemman kapasitanssin, kun taas aurinkosähkötilassa (nollahajoava) se minimoi tumman virran. Valovirta vaihtelee tyypillisesti nanoampeereista milliampereihin. Vakiojännitevahvistin ei pysty suoraan käsittelemään tätä virtalähdettä; sen sijaan transimaatiovahvistin käyttää valodiodivirtaa syötteenä ja tuottaa ulostulojännitteen []V[]out[[]]] = I[[]]ph[[[]] × R[]]]]]]][[[]]]]], jossa R[] on palate vastus.

Transimpedanssivahvistinten perusteet

Käyttöönotettava vahvistin, joka on konfiguroitu takaisinkytkentävastuslaitteella (R]f[]]) ulostulosta sisäänpäin kääntyvään tuloon, ja valodiodi, joka on yhdistetty sisäänvertauksen ja maan (tai vinojännitteen) välille, muodostaa perus-TIA:n. Muunnon syöte on tyypillisesti maadoitettu tai puolueellinen. Op-ampin suuri avoimen kierron tulovoima pakottaa sisäänkääntyvän syötteen olemaan virtuaalisessa maassa, joten kaikki valovirtavirrat Rf, jotka tuottavat lähtöjännitteen ja taajuusvasteen. Palautteenvastuksen yksin asettaa transimpedanssin tulon, mutta käytännön malleissa on myös oltava takaisinkytkentäkapasitin (C]f][[FLT]]]]]) rinnakkain ohjaustehon ja taajuusvasteen kanssa.

Tärkeimmät suorituskykyparametrit

Kaapelinleveys ja taajuusvaste

TIA-kaistanleveyden rajoittaa op-amp:n kaistanleveystuote (GBW) ja kokonaistulokapasitanssi invertiilisolmussa (valodiodikapasitanssi + op-amp -tulokapasitanssi + loiskapasitanssi). Hallitsevan pylvään asettaa R[f[ ja kapasitanssin kokonaismäärä, jonka tuloksena kaistanleveys on noin f[p[[]]]] = 1 / (2π × R[]]]f[[[[[[]]]]]]]tot[]]]]]

Meluanalyysi

TIA:ssa melulähteitä ovat muun muassa R[]f[], valodiodin tumman virran ja signaalivirran aiheuttama laukausmelu sekä op-amp:n jännite ja virtamelu. Kokonaisulostuloääni on näiden panosten juuri-sum-neliö. Palautteenvastuslaitteen lämpömelua voidaan vähentää käyttämällä pienempää vastusta (alhaisempien hyötyjen hinnalla). Op-amp-jännitteen melua vahvistetaan melun vähenemisellä (1 + C[][[]]]][[]]]) korkeilla taajuuksilla.

Vakauskorvaus

Ilman korvausta TIA voi sopeutua tulokapasitanssin ja op-ampin sisäisten napojen käyttöön ottaman vaiheen siirtymän vuoksi.Kaapelin ja op-ampin sisäisten napojen avulla voidaan lisätä takaisinkytkentäkondensaattori C[f[] rinnalle R[]f]. Optimaalinen arvo valitaan tyypillisesti siten, että nollataajuus vastaa paalun geometrista keskiarvoa ja op-ampin ykkös-gainkaistankaistanleveysä.

Osan valinta

Op-amp valinta

Oikean käyttövahvistimen valinta on ratkaisevan tärkeää.

  • Input bias current:[ Varmaan paljon pienempi kuin pienin fotovirta offset-virheiden välttämiseksi. JFET tai CMOS syöttövaiheet tarjoavat femtoampere harhavirtaa.
  • Gain-kaistanleveys tuote: Olisi oltava vähintään 10 kertaa haluttu TIA-kaistanleveys vakaassa käytössä.
  • Input kapasitanssi:[] Matala syötekapasitanssi vähentää C:n kokonaismäärää ja parantaa kaistanleveyttä.
  • Volttaus ja virtamelu:[ Matalan melutiheyden (esim. 1,2 nV/.Hz ja 1 fA/...Hz) minimoivat lähtömelun.
  • Lopetusnopeus:[ Riittävä enimmäislähtökierrosta varten vaaditulla taajuudella.

TIA-suunnittelun suosittuja op-amppeja ovat OPA847 (ultra-low-melu, laajakaista), OPA656 (JFET-tulo), ADA4817 (matala melu, suuri nopeus) ja LTC6268 (suuri nopeus, alhainen harhavirta).

Palautteen resistori- ja kondensaattoriarvot

Palautteenvastuslaite R]f määritetään vaaditun transimaatiovoiton perusteella: [R[[f[] = V[]out,max[[[]]]ph,max[][[[. Suuri arvo tuottaa suuremman tehon, mutta rajoittaa kaistanleveyden ja lisää melua. Suurnopeussuunnissa R[f[] on tyypillisesti välillä 1 kΩ ja 50 kΩ.

Kehittyneet TIA- asetukset

Erittäin nopea valodioditunnistus (esim. 1 Gbps optisten linkkien), yksinkertainen yhden päätetyksi TIA ei ehkä riitä. Differentiaali TIA mallit käyttää kahta op-ampeja hylkäämään yleisen moodin melua ja kaksinkertaistaa signaalin swing. Toinen lähestymistapa käyttää säänneltyä kaskodia (RGC) topologia vähentää tehokasta tulo impedanssia, parantaa kaistanleveyden kustannuksella korkeampi melu. Integroidut TIA piirit valmistajien kuten Maxim Integrated, Analogiset laitteet, tai Texas Instruments tarjoavat optimoituja ratkaisuja tiettyihin datan. Lisäksi, valodiodi voi olla puolueellinen valojohtava tilassa erillinen harhajännite vähentää sen liitoskapasitanssi ja parantaa korkean taajuuden vaste.

Käytännön suunnitteluesimerkki

Harkitse matalameluisen optisen vastaanottimen suunnittelua, jota käytetään ympäristön valoanturissa. Valodiodin (esim. BPW21R) herkkyys on 0,6 A/W 550 nm:ssä ja kapasitanssi 70 pF:n teholla 0 V. Odotettavissa oleva valovirta on 1 μA (vastaa 1,67 μW optista tehoa). Halutun ulostulojännitteen vaihtelu on 3 V, jotta se voidaan liittää mikro-ohjaimen ADC:hen.

Step 1: Determine Rf
Rf = 3 V / 1 µA = 3 MΩ. This high value limits bandwidth but is acceptable for a slow (<100 Hz) sensor.

vaihe 2: Valitse Op-Amp
]A matalabias-current JFET op-amp, kuten OPA145 (I[]b[[]] = 2 pA, GBW = 5,5 MHz) on sopiva. Sen jännitemelu (7 nV/...Hz) ja virtamelu (0,8 fA/...Hz) ovat hyväksyttäviä tälle voittotasolle.

vaihe 3: Laske palautekondensaattori [
Kokonaissyöte kapasitanssi C[]in[[] = fotodiodikapasitanssi (70 pF) + op-amp-syöte kapasitanssi (4 pF) + rattaat (5 pF) = 79 pF. Säännön käyttäminen: C[f] = ..................................................................................................................................

vaihe 4: Varmista suorituskyky[
Simuloi SPICE:n kanssa: suljettu -3 dB:n kaistanleveys on noin f[-3dB[] = 1 / (2π × R]]f[[] × C[]f[[]]]) = 1 / (2π × 3 MΩ × 1 pF) . Tämä on riittävä. Tuotannon melun tulisi olla alle 1 mV RMS:n. Ulkoisen matalan passin suodattimen pitäisi TIA:n jälkeen vähentää edelleen korkeataajuista melua.

Tämä malli tuottaa vakaan, matalan melun TIA-arvon, joka soveltuu DC-valon mittaukseen. Suuremman nopeuden saavuttamiseksi on vähennettävä R[f] ja käytettävä matalan kapasitanssin fotodiodia.

Simulointi ja testaus Vinkkejä

Ennen prototyypin rakentamista simuloidaan TIA-piiriä käyttäen valitun op-ampun ja valodiodin yksityiskohtaista SPICE-mallia (mukaan lukien kapasitanssi ja suntin vastus). Tutkitaan suljettujen silmukkataajuuksien vaste huippuun (ilmoittaa, että vaihemarginaali on riittämätön) ja säädetään C[[]f[[]]]]. Mittaa lähtömelua sisääntulolla tai nuken vastuksen avulla. Fyysisen testauksen aikana käytä suojattua suojusta ulkoisten häiriöiden minimoimiseksi. Käytä puhdasta virtalähdettä, jossa on alhainen aalto. Transimpedanssivahvistinnnuken herkkyys melulle tarkoittaa, että asianmukainen PCB-asetteluon. Lyhyet jäljet, maataso kääntyvän solmun alla ja minimaalinen loiskapasitanssi on välttämätön.

Ulkoiset resurssit

Lisätietoja saat näistä arvovaltaisista hakemushuomautuksista:

Päätelmät

Transimpedanssivahvistimen suunnittelu valodiodisignaalin havaitsemiseen edellyttää tasapainottamista, kaistanleveyttä, melua ja vakautta huolellisen komponenttien valinnan ja kompensoinnin avulla. Ymmärtämällä valodiodin ominaisuudet, op-ampun rajoitukset ja takaisinkytkentäverkon arvojen vaikutus insinöörit voivat luoda luotettavia piirejä sekä matalan valon tasavirtamittauksiin että nopeaan optiseen viestintään. Simulointi ja prototyyppien käyttökyvyn todentamisessa ja suunnittelun varmistamisessa on edelleen olennaista.