Tuttavia, le loro prestazioni dipendono direttamente dalla stabilità e dalla precisione del circuito di biasing che fornisce la tensione inversa. Nelle applicazioni ad alta velocità o a bassa luce, anche le fluttuazioni dei microvolt nella tensione di bias possono causare errori di misura significativi. Gli amplificatori operativi (ampli dettagliati) offrono una soluzione elegante per generare tensioni di bias di ultra-stable con un minimo rumore.

Fondamenti di Photodiode Biasing

Capire come un fotodiode opera sotto i pregiudizi è fondamentale prima di progettare il circuito di controllo.

  • Modalità fotovoltaica[[] – bias applicato a zero; risposta lenta ma bassa corrente scura.
  • Modalità fotoconduttiva[[] – inversione di polarità applicata; migliora la velocità di risposta, riduce la capacità di giunzione, ma aumenta la corrente scura e il rumore.

In modalità fotoconduttiva, la tensione di bias è tipicamente impostata tra 5 V e 30 V, a seconda della massima potenza del fotodiode e della larghezza di banda richiesta. La tensione di polarizzazione deve rimanere costante per evitare di cambiare la capacità di reattività e di giunzione del fotodiode, che introdurrebbe la distorsione del segnale.

I circuiti di biasing di precisione devono quindi fornire:

  • Ottima regolazione della linea e del carico
  • Rumore di uscita basso (basso 10 μVRMS tipicamente)
  • Bassa temperatura deriva (sotto 10 ppm/°C)
  • Regolabilità e protezione da sovratensioni

Considerazioni chiave di progettazione

Prima di selezionare i componenti, definire i requisiti di sistema. Elencare la gamma di tensione di polarizzazione richiesta, il massimo rumore consentibile, la stabilità della temperatura e il budget di potenza.

Stabilità e regolamento

La tensione di polarizzazione non deve variare con le variazioni di corrente di carico (la corrente scura del fotodiode più la fotocorrente). Poiché la corrente scura raddoppia approssimativamente ogni 10 °C, il circuito di biasing deve mantenere la tensione indipendentemente dai cambiamenti di corrente indotti dalla temperatura.

Prestazioni di rumore

Il fotodiode è una sorgente ad alta impedenza, quindi anche il rumore di tensione piccolo può essere convertito in un rumore di corrente significativo attraverso la capacità del fotodiode.

Temperatura di derivazione

Per esempio, un riferimento a 5 V con un Tc di 3 ppm/°C andrà alla deriva solo 15 μV su un cambio di 10 °C. Se il sistema opera su un ampio range di temperatura, prendere in considerazione gli amplificatori auto-zero o elicottero stabilizzati per ridurre la deriva offset.

Caratteristiche di protezione

Se l'alimentazione dei bias si dilaga troppo rapidamente o sperimenta un transitorio, il fotodiode può essere danneggiato. Le resistenze della serie (ad esempio, 10 Ω a 100 Ω) possono limitare la corrente, e un morsetto diodo Zener o TVS può proteggere contro la sovratensione. Molti amplificatori di precisione hanno protezione interna di cortocircuito, ma l'aggiunta di protezione esterna è prudente.

Criteri di selezione dell'amplificatore Op

La scelta dell'amplificatore operativo giusto è la fase più critica. I seguenti parametri devono allinearsi con l'applicazione:

  • Input Bias Corrente: Per i fotodiodi, la corrente di bias di ingresso dell'op amp dovrebbe essere ordini di magnitudo inferiore rispetto alla foto corrente. Per applicazioni ad alta sensibilità (livelli di campione), utilizzare FET-input op amplificatori come il OPA121 con velocità di bias.
  • Densità di tensione rumore:[ Obiettivo sotto 10 nV/√Hz per i disegni a basso rumore. Nota che gli amplificatori a banda larga hanno spesso un rumore più alto.
  • La larghezza di banda e la velocità di rotazione:[] L'amplificatore op deve essere abbastanza veloce da gestire i segnali dal fotodiode. Per i bias DC, un amplificatore a bassa banda è sufficiente e può effettivamente aiutare a filtrare il rumore.
  • Tensione e avanzamento di uscita:[[] Assicurare che l'amplificatore op possa ospitare la tensione di polarizzazione richiesta (ad esempio, da 0 a 30 V). Molti amplificatori di precisione operano con doppio rifornimento (±5 a ±15 V).
  • Offset Tensione e deriva:[ Per l'accuratezza DC, scegliere gli amplificatori con offset iniziale inferiore a 100 μV e derivare sotto 1 μV/°C.

Se la tensione di polarizzazione deve essere regolabile, prendere in considerazione un potenziometro digitale o un DAC nel loop di feedback, ma fare attenzione al rumore aggiunto.

Topologie del circuito per il bilanciamento di precisione

Diversi circuiti di architettura sono adatti per generare una tensione stabile di polarizzazione per un fotodiode. La scelta dipende dalla precisione richiesta, semplicità e se la tensione di polarizzazione è fissa o programmabile.

Seguaglio di tensione con riferimento Buffered

La topologia più semplice utilizza un riferimento di tensione di precisione seguito da un amplificatore op configurato come un buffer di unità-gain. L'uscita di riferimento (ad esempio, 10 V) viene applicata all'ingresso non invertente dell'amplificatore op, e l'uscita è collegata direttamente all'anodo di fotodiode (o catodo, a seconda della polarità).

Questo circuito beneficia dell'elevata impedenza di ingresso dell'amplificatore (prevenzione del carico del riferimento) e dell'impedenza di uscita ridotta. Tuttavia, la tensione di riferimento deve essere accuratamente disaccoppiata, e l'amplificatore deve gestire il carico capacitivo del fotodiode (tipicamente 1 a 100 pF).

Regolatore di precisione con feedback

Per esigenze di corrente più elevate o quando la tensione di polarizzazione deve essere impostata a un valore non standard, un design più robusto utilizza un riferimento di tensione, un amplificatore op, e un transistor di passaggio o un divisore di resistenza semplice in un loop chiuso. L'amplificatore op confronta l'uscita (tramite un divisore) con il riferimento e guida l'elemento passante per regolare la tensione di polarizzazione.

Questa topologia può fornire correnti fino a centinaia di milliamps mantenendo la stabilità dei microvolt. I resistori del divisore del senso dovrebbero essere a basso rendimento-coefficiente (ad esempio, 5 ppm/°C) tipi di film metallici.

Fonte programmabile di Bias utilizzando DAC

Quando la tensione di bias deve essere regolata dinamicamente (ad esempio, nei sistemi di calibrazione o di adattamento), è possibile utilizzare un convertitore digitale-analogico di precisione (DAC) che viene bufferato dall'amplificatore op e applicato al fotodiode.

Selezione dei componenti dettagliata

Ogni componente della catena di bias influisce sulle prestazioni generali. Di seguito sono le linee guida per le parti critiche:

Riferimento di tensione

Scegliere un riferimento con precisione iniziale migliore di ±0,1% e coefficiente di temperatura inferiore a 10 ppm/°C. Le opzioni popolari includono la serie [[ ADR42x[]] (XFET) per basso rumore e la serie REF50xx[]]]]] (bandgap di precisione).

Amplificatore

Come accennato, gli amplificatori di ingresso FET o CMOS sono preferiti. raccomandazioni specifiche (come di recenti standard di settore) includono:

  • Rumore basso dell'Ultra: LT1028, ADA4898-2
  • Precisione e bassa deriva:[ OPA188, OPA277
  • Alta tensione: OPA445 (alimentazione singola fino a 45 V)
  • Potenza bassa: TLV2401

Controllare sempre il foglio di dati per la capacità di guida del carico capacitivo. La capacità di giunzione del fotodiode più parassita della scheda può causare oscillazione. Una piccola resistenza di uscita della serie (ad esempio, 50 Ω) e condensatore di feedback (un paio di picofarads) può stabilizzare il loop.

Resistori e condensatori

Utilizzare resistenze per film in metallo con TC basso (≤25 ppm/°C) per qualsiasi divisore di tensione. La dissipazione di potenza dovrebbe essere declassata del 50% o più. Utilizzare condensatori in ceramica (C0G/NP0) per la decoupling e i condensatori di filtro per evitare problemi di assorbimento e di coefficiente di tensione.

Protezione delle diodi

Posizionare un diodo Schottky di piccolo segno (ad esempio BAT54S) attraverso il fotodiode per bloccare la tensione inversa se l'alimentazione di bias non riesce o si dilaga in modo errato.

Analisi del rumore e Minimizzazione

Il rumore nella tensione di bias appare come un segnale comune-mode o differenziale-mode al fotodiodo. Le fonti di rumore principali sono:

  • Rumore di riferimento (tipicamente 1 μVp-p a 10 μV[p-p sopra 0,1–10 Hz]
  • Rumore di tensione di ingresso dell'amplificatore (ad esempio, 3 nV/√Hz per un buon amplificatore)
  • Rumore termico resistente (rumore di Johnson da resistenze di senso)
  • Connettore di alimentazione in ondulazione attraverso il rapporto di rifiuto dell'alimentazione dell'amplificatore (PSRR)

Per ridurre al minimo il rumore, utilizzare le seguenti tecniche:

  • Seguire il riferimento di tensione con un filtro RC a basso passaggio (ad esempio, 10 kΩ + 10 μF → cutoff ~1.6 Hz) per ridurre il rumore a banda larga.
  • Aggiungere un condensatore di feedback dall'uscita op amp al suo ingresso invertente per limitare la larghezza di banda e ridurre il rumore ad alta frequenza.
  • Utilizzare una topologia a stella e un terreno analogico separato per il circuito di bias.
  • Fornire energia pulita all'amplificatore op utilizzando regolatori a basso contenuto di goccia seguiti da filtri LC se necessario.
  • Scudo le tracce di fotodiode e bias da fonti di rumore digitali.

Eseguire un'analisi del rumore utilizzando Spice o calcoli manuali. Il rumore RMS totale all'uscita bias può essere approssimativamente stimato come il root-sum-square (RSS) del rumore di riferimento e del rumore op amp moltiplicato per la larghezza di banda.

Procedure di attuazione e di prova

Costruire un circuito di precisione di bias richiede un layout accurato e una validazione.

  1. Prototipo su una tavola di pane? Utilizzare un panno senza saldatura per le prove iniziali, ma essere consapevoli di una maggiore capacità parassita e induttanza.Per la convalida finale, passare a un PCB corretto con un piano terra.
  2. Risparmiare sequenzialità. Prima applicare potenza all'amplificatore op e riferimento senza il photodiode collegato. Misurare la tensione di uscita con un multimetro ad alta impedenza (≥10 MΩ). Verificare l'oscillazione utilizzando un oscilloscopio (1:1 sonda, 20 MHz limite di larghezza di banda).
  3. Connetta il fotodiode[[]] utilizzando fili corti e schermati. Controllare nuovamente la tensione di bias; non dovrebbe cambiare di più di pochi millivolts. Misurare la tensione attraverso un resistore di senso in serie con il fotodiode per confermare il flusso corrente.
  4. Evaluate noise.] Utilizzare un oscilloscopio in modalità accoppiata AC (1 mV/div) per osservare la ondulazione e il rumore. Per misure di rumore precise, utilizzare un preamplificatore a basso rumore e un analizzatore di spettro FFT.
  5. Test di temperatura.[] Posizionare il circuito in una camera termica o utilizzare una pistola di calore attentamente per monitorare la deriva. Una fotocamera termica può aiutare a identificare i componenti caldi che possono degradare l'accuratezza.
  6. Aggiungi e calibra. Se è necessario un bias regolabile, utilizzare un potenziometro di trim o un potenziometro digitale.

Documentare la tensione di polarizzazione misurata, il rumore e la deriva per ogni prototipo per informare il design finale.

Tecniche avanzate

Per i sistemi che richiedono le prestazioni più elevate, prendere in considerazione questi miglioramenti:

Protezione attiva per correnti di leakage

Quando si misurano le fotocorrenti nella gamma picoampere, le correnti di perdita della scheda possono corrompere il bias. Un anello di protezione attivo guidato dall'uscita op amp allo stesso potenziale del nodo biased elimina perdite mantenendo zero tensione sulla superficie della scheda.

Kelvin Sensing di tensione di Bias

Per garantire che la tensione esatta di polarizzazione sia visibile attraverso il fotodiode, utilizzare una connessione a quattro fili (Kelvin): forzare il bias attraverso un paio di fili e percepire la tensione nei terminali di fotodiodi con una coppia di elevata impedenza separata che si alimenta nell'amplificatore op.

Calibrazione digitale e compensazione della temperatura

Integrare un microcontrollore con un ADC per monitorare la tensione di polarizzazione e la temperatura ambiente. Il microcontroller può regolare il DAC o il potenziometro digitale in tempo reale per compensare la deriva, ottenendo stabilità a lungo termine inferiore a 1 ppm.

Conclusioni

[Strumenti] [Strumenti] [Strumenti] [Strumenti] [Strumenti] richiede un'attenta attenzione alla selezione dei componenti, alla topologia dei circuiti, alla gestione del rumore e alla prova. Scegliendo un amplificatore a bassa rumorosità, un amplificatore a bassa velocità e un riferimento di tensione di precisione, e implementando una corretta filtrazione, protezione e layout, gli ingegneri possono ottenere tensioni bias stabili all'interno di pochi microvolti rispetto al tempo e alla temperatura.