Photodiode जांच के लिए ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायरों का परिचय

एक ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायर (TIA) एक उपयोगी वोल्टेज संकेत में एक फोटोडायोड के छोटे वर्तमान आउटपुट को बदलने के लिए मूलभूत भवन ब्लॉक है। यह सर्किट फाइबर ऑप्टिक संचार और LIDAR से लेकर बायोमेडिकल सेंसर और औद्योगिक प्रकाश बाधाओं तक के अनुप्रयोगों में ऑप्टिकल पावर के सटीक माप को सक्षम बनाता है। टीआईए को पता लगाने वाले संकेत को ईमानदारी से पुन: उत्पन्न करने के लिए लाभ, बैंडविड्थ, शोर और स्थिरता को संतुलित करना चाहिए। यह लेख फोटोडायोड सिग्नल डिटेक्शन के लिए एक मजबूत टीआईए सर्किट को डिजाइन करने के लिए एक गहन गाइड प्रदान करता है, सैद्धांतिक नींव, घटक चयन, व्यावहारिक डिजाइन चरणों और उन्नत विचारों को कवर करता है।

Photodiode Behavior and Current-to-Voltage रूपांतरण

फोटोडायोड घटना प्रकाश तीव्रता के लिए एक मौजूदा आनुपातिक उत्पन्न करते हैं। फोटोकॉन्डेक्टिव मोड (रिवर्स बायपास के साथ), फोटोडायोड तेजी से प्रतिक्रिया और कम समाई प्रदान करता है, जबकि फोटोवोल्टिक मोड (zero पूर्वाग्रह) में यह अंधेरे वर्तमान को कम करता है। फोटोक्रिक आम तौर पर नैनोएम्पर से मिलीएम्पर तक होती है। एक मानक वोल्टेज एम्पलीफायर सीधे इस वर्तमान आउटपुट को संभाल नहीं सकता है; इसके बजाय, एक ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायर इनपुट के रूप में फोटोडायोड वर्तमान का उपयोग करता है और एक आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करता है V = I[FLT]]]]

ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायर फंडामेंटल

एक परिचालन एम्पलीफायर एक प्रतिक्रिया रोकनेवाला (R]f) के साथ आउटपुट से इनपुट को उलटा करने के लिए, फोटोडायोड के साथ उलटा इनपुट और जमीन (या एक पूर्वाग्रह वोल्टेज) के बीच जुड़ा हुआ है, बुनियादी टीआईए बनाता है। गैर-विज्ञापन इनपुट आम तौर पर जमीनी या पक्षपातपूर्ण है। op-amp के उच्च खुले लूप लाभ के लिए आभासी जमीन पर होने के लिए उलटा इनपुट को मजबूर करता है, इसलिए सभी फोटोवर्तमान Rf] के माध्यम से बहती है, जो आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करती है। प्रतिक्रिया प्रतिरोधी अकेले ट्रांसिमेडेंस सेट करता है, लेकिन एक समानांतर प्रतिक्रिया क्षमता में शामिल होना चाहिए।

प्रमुख निष्पादन पैरामीटर

बैंडविड्थ और आवृत्ति प्रतिक्रिया

TIA बैंडविड्थ op-amp के लाभ बैंडविड्थ उत्पाद (GBW) और कुल इनपुट समाई के द्वारा सीमित है उलटा नोड (फोटोडायोड समाई + op-amp इनपुट समाई + परजीवी समाई) पर। प्रमुख ध्रुव Rf (LT-F) = "Lp" = "Famp" = "Fp" = "Famp" = "Fp" = "Fp" = "Famp = "Fp" = "Famp = "Fp" = "Fp" = "Fp = "Famp = "Fp" = "Fp = "Famp = "Fp = "Fp = "Fp" = "Fp = "Famp = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Famp = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Famp = "Fp" = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Fp = "Famp" = "Fp = "

शोर विश्लेषण

एक TIA में शोर स्रोतों में R f से थर्मल शोर शामिल है, फोटोडायोड डार्क करंट और सिग्नल करंट से शोर को गोली मार दी, और op-amp के वोल्टेज और वर्तमान शोर। कुल उत्पादन शोर इन योगदानों का मूल-सुम-वर्ग है। फीडबैक प्रतिरोधी का थर्मल शोर कम आवृत्तियों पर हावी है लेकिन वर्तमान में A-LT पर कम प्रतिक्रिया का उपयोग करके कम किया जा सकता है।

स्थिरता मुआवजा

पर्याप्त मुआवजा के बिना, TIA इनपुट समाई और op-amp के आंतरिक ध्रुवों द्वारा शुरू चरण बदलाव के कारण दोलन कर सकता है। एक प्रतिक्रिया संधारित्र C f] के समानांतर Rf]]] का चयन आम तौर पर किया जाता है ताकि शून्य आवृत्ति पोल के ज्यामितीय अर्थ और op-amp के समान है। [FLT: 1] = 4LT [F: 1] = "F: 1] = "F: 1"] = "F: 1" = "F: 1" = "F: 1" = "F: 1" = "F = "F: 1" = "F = "F = "F = "F = "F: 1" = "F = "F = "F: 1" = "F = "F = "F = "F = "F = "F: 1" = "F = "F = "F = "F = "F = "F = "F = "F:" = "F = "F:" = "F = "F = "F = "F = "F = "F

घटक चयन

Op-Amp चयन

सही परिचालन एम्पलीफायर का चयन करना महत्वपूर्ण है।

  • ]Input पूर्वाग्रह वर्तमान: ऑफसेट त्रुटियों से बचने के लिए न्यूनतम फोटोकंट से बहुत छोटा होना चाहिए। JFET या CMOS इनपुट चरण नाटोम्परे पूर्वाग्रह धाराओं की पेशकश करते हैं।
  • ]Gain-bandwidth उत्पाद: स्थिर संचालन के लिए वांछित TIA बैंडविड्थ के कम से कम 10 गुना होना चाहिए।
  • ]Input capacitance: कम इनपुट समाई कुल C]in]] को कम करती है और बैंडविड्थ में सुधार करती है।
  • ]Voltage and current noise: कम शोर घनत्व (जैसे 1.2 nV/genarghz) और 1 fA/genarg) उत्पादन शोर को कम करते हैं।
  • Slew का दर: आवश्यक आवृत्ति पर अधिकतम उत्पादन स्विंग के लिए पर्याप्त।

TIA डिजाइन के लिए लोकप्रिय op-amps में OPA847 (ultra-low शोर, wideband), OPA656 (JFET इनपुट), ADA4817 (कम शोर, उच्च गति), और LTC6268 (उच्च गति, कम पूर्वाग्रह वर्तमान) शामिल हैं।

प्रतिक्रिया प्रतिरोधी और संधारित्र मान

प्रतिक्रिया प्रतिरोधी Rf] आवश्यक पारगमन लाभ द्वारा निर्धारित किया गया है: R]f = Vout,max]] / Iph,max]]][FLT:]]: [FLT:]]: [FLT:]]: [FLT:]]] [FLT:]] [FLT:] [F:]] [F:]]] [F:]]] [F:]]] [F: [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

उन्नत TIA विन्यास

बहुत उच्च गति वाले फोटोडायोड डिटेक्शन (जैसे, 1 जीबीपीएस ऑप्टिकल लिंक) के लिए, एक सरल एकल-अंत टीआईए पर्याप्त नहीं हो सकता है। विभेदक टीआईए डिजाइन सामान्य मोड शोर को अस्वीकार करने और सिग्नल स्विंग को दोगुना करने के लिए दो op-amps का उपयोग करते हैं। एक अन्य दृष्टिकोण प्रभावी इनपुट प्रतिबाधा को कम करने के लिए एक विनियमित कैसकोड (आरजीसी) टोपोलॉजी का उपयोग करता है, जो उच्च शोर के खर्च पर बैंडविड्थ में सुधार करता है। मैक्सिम इंटीग्रेटेड, एनालॉग डिवाइस, या टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स जैसे निर्माताओं से एकीकृत टीआईए सर्किट विशिष्ट डेटा दरों के लिए अनुकूलित समाधान प्रदान करते हैं। इसके अतिरिक्त, एक फोटोडायोड को अपनी आवृत्ति को कम करने और उच्च आवृत्ति में सुधार के लिए एक अलग पूर्वा वोल्टेज के साथ फोटोकॉन्डिव मोड में पूर्वाग्रहित किया जा सकता है।

प्रैक्टिकल डिजाइन उदाहरण

एक कम शोर ऑप्टिकल रिसीवर के लिए एक डिजाइन पर विचार करें जो परिवेश प्रकाश संवेदक में उपयोग किया जाता है। फोटोडायोड (जैसे, एक BPW21R) में 550 एनएम पर 0.6 ए / डब्ल्यू की संवेदनशीलता है और 0 वी पूर्वाग्रह पर 70 पीएफ की क्षमता है। अपेक्षित अधिकतम फोटोकैट 1 μA है ( 1.67 μW ऑप्टिकल पावर के अनुरूप)। वांछित आउटपुट वोल्टेज स्विंग एक माइक्रोकंट्रोलर एडीसी के साथ इंटरफेस करने के लिए 3 वी है।

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.

Step 2: Op-Amp
A low-bias-current JFET op-amp जैसे OPA145 (I b = 2 pA, GBW = 5.5 MHz) उपयुक्त है। इसके वोल्टेज शोर (7 nV/genuj) और वर्तमान शोर (0.8 fA/genhj) इस लाभ स्तर के लिए स्वीकार्य हैं।

Step 3: Calculate फीडबैक संधारित्र]
]कुल इनपुट समाई Cin = photodiode capacitance (70 pF) + op-amp इनपुट समाई (4 pF) + strays (5 pF) = 79 pF. का उपयोग: C ]f]] = √(79 pF / (2π × 3 MΩ × 5.5 MHz) ≈ √(F).

Step 4: Verify Performance
]Simulate with SPICE: बंद लूप -3 डीबी बैंडविड्थ लगभग f ]] -3dB = 1 / (2π × R]ff]] × Cf]]]]) = 1 / (2π × 3 MΩ × 1 pF) ≈ 53 kHz, जो पर्याप्त है। आउटपुट शोर 0.1 Hz से नीचे की आवृत्ति को कम कर सकता है।

यह डिजाइन डीसी प्रकाश माप के लिए उपयुक्त स्थिर, कम शोर टीआईए की पैदावार करता है। उच्च गति के लिए, आर f] को कम करें और कम क्षमता वाले फोटोडायोड का उपयोग करें।

सिमुलेशन और परीक्षण युक्तियाँ

प्रोटोटाइप बनाने से पहले, चयनित op-amp और photodiode (Capacitance और shunt प्रतिरोध सहित) के विस्तृत SPICE मॉडल का उपयोग करते हुए TIA सर्किट का अनुकरण करें। पीकिंग के लिए बंद लूप आवृत्ति प्रतिक्रिया की जांच करें (निर्भर चरण मार्जिन को इंगित करता है) और C f ] को तदनुसार समायोजित करें। इनपुट ओपन के साथ या एक डमी प्रतिरोधी के साथ आउटपुट शोर को मापें। भौतिक परीक्षण के दौरान, बाहरी हस्तक्षेप को कम करने के लिए एक संरक्षित बाड़े का उपयोग करें। कम तरंग के साथ एक स्वच्छ बिजली आपूर्ति का उपयोग करें। शोर के लिए एक ट्रांसिमैप्डेंस एम्पलीफायर की संवेदनशीलता का मतलब है कि उचित पीसीबी लेआउट-संक्षिप्त ट्रैक ग्राउंड के तहत।

बाह्य संसाधन

आगे पढ़ने के लिए, इन आधिकारिक एप्लिकेशन नोटों का परामर्श करें:

निष्कर्ष

फोटोडायोड सिग्नल डिटेक्शन के लिए एक ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायर को डिजाइन करने के लिए सावधानीपूर्वक घटक चयन और मुआवजे के माध्यम से लाभ, बैंडविड्थ, शोर और स्थिरता को संतुलित करना आवश्यक है। फोटोडायोड की विशेषताओं को समझने के द्वारा, ओप-amp की सीमाओं और फीडबैक नेटवर्क मूल्यों के प्रभाव से इंजीनियर कम प्रकाश डीसी माप और उच्च गति वाले ऑप्टिकल संचार दोनों के लिए विश्वसनीय सर्किट बना सकते हैं। सिमुलेशन और प्रोटोटाइप प्रदर्शन को सत्यापित करने और डिजाइन को एप्लिकेशन-विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए आवश्यक कदम बने रहे।