Progettazione di un circuito di amplificazione di Transimpedenza per la rilevazione di segnali di Photodiode

Introduzione agli amplificatori di transimpedenza per la rilevazione di fotodiodi

Un amplificatore di transimpedenza (TIA) è il blocco di costruzione fondamentale per convertire la piccola uscita corrente di un fotodiode in un segnale di tensione utilizzabile. Questo circuito consente una misurazione precisa della potenza ottica in applicazioni che vanno dalle comunicazioni fibra ottica e LIDAR ai sensori di fondazione biomedica e barriere di luce industriale.

Photodiode Behavior e Conversione da corrente a tensione

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Principi fondamentali dell'amplificatore di transimpedenza

Un amplificatore operativo configurato con un resistore di feedback (R_f]) dall'output all'invertimento dell'ingresso, con il fotodiode collegato tra l'ingresso invertente e il terreno (o una tensione di polarizzazione), forma il TIA di base. L'ingresso non invertente è tipicamente basato o biased.

Parametri di prestazioni chiave

Larghezza di banda e frequenza di risposta

[LT] la larghezza di banda è limitata dal prodotto di guadagno dell'op-amp[LT] (GBW) e dalla capacità di ingresso totale al nodo invertente (condensazione di fotodiode + capacità di ingresso op-amp + capacità parassita).

Analisi del rumore

Le fonti di rumore in un TIA includono rumore termico da R_f, rumore di scatto dalla corrente di fotodiode e corrente di segnale, e la tensione di op-amp e rumore corrente. Il rumore totale di uscita è il root-sum-square di questi contributi. Il rumore termico di resistenza di feedback domina a basse frequenze ma può essere ridotto utilizzando una resistenza inferiore (a costo di guadagno inferiore

Compensazione della stabilità

Senza compensazione, il TIA può oscillare a causa del cambio di fase introdotto dalla capacità di ingresso e dei poli interni dell'op-amp.

Selezione dei componenti

Selezione Op-Amp

La scelta dell'amplificatore operativo giusto è fondamentale.

Corrente di bias di ingresso:[[] Deve essere molto più piccolo della fotocorrente minima per evitare errori di offset.
Prodotto di larghezza di banda di guadagno:[[] Dovrebbe essere almeno 10 volte la larghezza di banda di TIA desiderata per un funzionamento stabile.
Capacità di ingresso:[[] La capacità di ingresso ridotta riduce il totale C[_{] in[}] e migliora la larghezza di banda.
Rumore e rumore attuale:[[] Le densità di rumore basse (ad esempio, 1,2 nV/√Hz e 1 fA/√Hz) minimizzano il rumore di uscita.
Alimentazione:[] Basciente per l'oscillazione massima di uscita alla frequenza richiesta.

Gli op-amp popolari per i progetti TIA includono OPA847 (ultra-basso rumore, banda larga), OPA656 (ingresso JFET), ADA4817 (basso rumore, alta velocità), e LTC6268 (alta velocità, bassa corrente di bias).

Valori di resistenza e condensatore

[FLT] [FLT] [[FLT]]] [[FLT]]] [[LT]]] [[FLT]]]] [[FLT]]]] [[FLT]]] [[FLT]]]] [[FLT]]] [FLT]] [FLT]]] [[FLT]]]]] [[FLT]]]]]] [FLT]] [[FLT]]] [[

Configurazioni avanzate di TIA

Per il rilevamento di fotodiodi ad alta velocità (ad esempio, 1 Gbps collegamenti ottici), un semplice TIA single-ended potrebbe non essere sufficiente. I progetti TIA differenziali utilizzano due op-amp per rifiutare il rumore comune-mode e raddoppiare l'oscillazione del segnale. Un altro approccio utilizza una topologia regolamentata del cascode (RGC) per ridurre l'impedenza di ingresso efficace, migliorare la larghezza di banda a spese di rumore superiore.

Esempio di progettazione pratica

Considerare un design per un ricevitore ottico a basso rumore utilizzato in un sensore di luce ambientale. Il fotodiode (ad esempio, un BPW21R) ha una sensibilità di 0,6 A/W a 550 nm e una capacità di 70 pF a 0 V bias. La massima fotocorrente prevista è di 1 μA (corrispondente a 1,67 μW di potenza ottica). L'oscillazione di tensione di uscita desiderata è 3 V per interfaccia con un microcontrollo ADC

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

Step 2: Scegliere Op-Amp[[]
]Un'op-amp a bassa luminosità corrente JFET come OPA145 (I_b] = 2 pA, GBW = 5.5 MHz) è adatto. Il suo rumore di tensione (7 nV / Hz8) e corrente (0A

[7] 8,8 × 5,7 √ (≈ √)] [[FLT: 1]] [
] capacità di ingresso totale C[[_[] = capacità di fotodiodo (70 pF) + capacità di ingresso op-amp (4 pF) + reggiseni (5 pFHz = 79 pF).

Step 4: Verificare le prestazioni[≈]
Simulare con SPICE: la larghezza di banda del D3 a distanza di circa f_-3dB = 1 / (2π × R_f]

Questo design produce un TIA stabile e a basso rumore adatto per la misurazione della luce DC. Per una maggiore velocità, ridurre R[_f[]]] e utilizzare un fotodiode a bassa capacità.

Suggerimenti di simulazione e test

Prima di costruire un prototipo, simulare il circuito TIA utilizzando un modello SPICE dettagliato del dispositivo op-amp e del fotodiode selezionato (compresa la capacità e la resistenza allo shunt). Esaminare la risposta di frequenza a ciclo chiuso per il picco (indica il margine di fase insufficiente) e regolare C_f] di conseguenza. Misurare il rumore di uscita con l'ingresso aperto o con una resistenza allo schermo fittice.

Risorse esterne

Per ulteriori informazioni, consultare le note di applicazione autorevoli:

Conclusioni

La progettazione di un amplificatore di transimpedenza per il rilevamento del segnale di fotodiodo richiede un aumento di bilanciamento, larghezza di banda, rumore e stabilità attraverso un'attenta selezione e compensazione dei componenti.