光ダイオード信号検出のためのトランピーダンスアンプ回路の設計

フォトダイオード検出用トランピーダンスアンプ入門

トランスピーダンスアンプ(TIA)は、フォトダイオードの小さな電流出力を使用可能な電圧信号に変換するための基本的なビルディングブロックです。この回路は、光ファイバー通信やLIDARからバイオメディカルセンサー、産業用光バリアまで、さまざまな用途における光学電力の正確な測定を可能にします。 TIAは、検出された信号を忠実に再現するために、ゲイン、帯域幅、騒音、安定性のバランスをバランスよくバランスを取る必要があります。この記事では、フォトダイオード信号の検出、高度な検討、および構造設計、および設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計、設計

光ダイオード行動および現在の対電圧変換

光ダイオードは、インシデント光強度に現在の比例します。光伝導モード(逆バイアス付き)では、フォトダイオードは、より高速応答と低容量を提供し、光起電モード(ゼロバイアス)では、暗電流を最小限にします。光電流は通常、ナノアンプからミリアンペアまでの範囲です。標準電圧アンプは、直接この電流出力を処理することができません。代わりに、トランペットアンプは、入力として光電電流を使用し、出力電圧を出力する[FLT][F][F]は[F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F]] [F] [F]] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F

トランピーダンスアンプの基礎

フィードバック抵抗器(R[_]]]f])で構成された操作上のアンプは、入力を反転するフォトダイオードと地面(または偏差電圧)の間に接続され、基本的なTIAを形成します。非反転入力は、通常、接地または偏差されます。逆転の上昇は、仮想地面に反転する入力を強制する[F]のみを出力する[F]と[F]を変換するだけです。 [F]と[F]F]は、R[F]を出力するすべてのフォトレジスタを[F][F]を出力]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]、[F]

主性能変数

帯域幅および頻度応答

TIA 帯域幅は、逆転するノード(フォトダイオードキャパシタンス + パラシティックキャパシタンス + パラシティックキャパシタンス + パラシブキャパシタンス) の合計入力キャパシタンスによって制限されます。同位棒は R_{および総キャパシタンスによって設定され、約 [FLT] [FLT] または [FLT] [FLT] [F] [FLT] または [FLT] [F] または [FLT] の出力が、 [F] [F] [F] または [F] [F] または [F] の出力が、 [F] [F] [F] [F] [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [F] または [F] の [F] の [F] の [F] または [F] の出力 ([F] の出力 ([F] または [F] または [F]}

騒音分析

TIAのノイズ源には、R[_f[]の熱ノイズ、フォトダイオードの暗電流と信号電流からのショットノイズ、およびオペアンプの電圧と電流ノイズが含まれます。出力ノイズは、これらの貢献の根幹-sum-squareです。フィードバック抵抗器の熱ノイズは低周波数で優れているが、低抵抗(低負荷のコストで)を使用して低減することができます。オプトアンプの電圧は、これらの貢献の[FAT]を[FAT]と[F]を補正します。 [FAT]:[F]:[F]は、低ノイズは、低ノイズを[FAT]と[F]:[F]:[F]:[F]:[FAT]:[F]:[FAT]:[F] - [F] - [F] - [FAT] - [[FAT] - [F] - [F] - [F] - [FAT] - [[FAT] - [[FAT] - [[FAT] - [[FAT] - [FAT] - [[FAT] -

安定性の補償

補償なし、 TIA は入力容量とオペアンプの内部棒によって導入されたフェーズシフトによる振動をすることができます。フィードバックコンデンサ C_f]を R[_f と、適切な値が選択され、 r[FLT:] と r[FLT:] が r[FLT] と r[F] がと r[F] がを r[F] と r[F] のがのをと r[F] でとでするは、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、は、

コンポーネント選択

オプトアンプ選定

適切な操作アンプを選択することは重要です。主な仕様には、

のバイアス電流:[ は、オフセットエラーを回避するために最小限のフォトカレントよりもはるかに小さい必要があります。 JFET または CMOS の入力ステージはフェムトームビア電流を提供します。
[] 静脈帯域幅製品:[ 安定動作の所望の TIA 帯域幅が少なくとも 10 回である必要があります。
[]入力容量:[]の低入力容量は、合計C_]を減らし、帯域幅を改善します。
[電圧と電流ノイズ:[]]低ノイズ密度(例えば、1.2 nV/√Hzおよび1 fA/√Hz)は、出力ノイズを最小限に抑えます。
] ねじ率:[]] 必要な周波数で最大出力スイングの欠如。

TIAの設計のための普及したop-ampsはOPA847 (超低い騒音、広帯域)、OPA656 (JFETの入力)、ADA4817 (低雑音、高速)、LTC6268 (高速、低いbiasの流れ)含んでいます。

フィードバック抵抗器およびコンデンサーの価値

フィードバック抵抗 R_f[]は、必要なトランペインピーダンスゲインによって決定されます。 ]R_f = V_]]、max[]])、F、max 。 = = [FLT:] = [FLT:]] [FLT: [FLT:]] [FLT:] [F] [F]] [F] [F] [F]] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F]]]] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F] [F]] [F] [F]

高度な TIA 構成

非常に高速フォトダイオード検出(例えば、1 Gbps光学リンク)のために、単純なシングルエンドのTIAは、接尾辞をしないことがあります。差分TIA設計は、一般的なモードノイズを拒絶し、信号スイングを倍増するために2つのオペアンプを使用します。別のアプローチは、規制されたカソコード(RGC)トポロジーを使用して、効率的な入力インピーダンスを削減し、高ノイズの費用で帯域幅を改善します。統合TIA回路は、統合型、アナログデバイス、または、または、または、特定の信号の応答を分離するために、その特性を向上することができます。

実用的設計例

周囲光センサーで使用される低騒音光受信機の設計を検討してください。フォトダイオード(例えば、BPW21R)は、550 nmの0.6 A / Wの感度と0 Vバイアスで70 pFの容量を持っています。予想される最大フォトカレントは1 μA(1.46 μW光電力に相当する)です。目的の出力電圧スイングは、マイクロコントローラACACと3 Vインターフェースです。

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.

[ステップ2:O-Amp[
]]]を選択して下さい。OPA145(I_]]b[[]]]] = 2 pA、GBW = 5.5 MHz)のような低偏電流JFETのオペアンプは適しています。その電圧ノイズ(7 nV/√Hz)と電流ノイズ(0.8 fA/√Hz)は、このゲインレベルに許容されます。

ステップ3:フィードバックコンデンサ
]]総入力容量C≈_in =フォトダイオードキャパシタンス(70 pF) + 出力キャパシタンス(4 pF) = 79 pF. ルールを使用して: C[]]] = [FLT: 5π[F] + πα = πα = μα = μα = μα = μα = μα = μα = μα = μα = μα = μα = ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦

ステップ4:パフォーマンス[を検証します
]SPICEでシミュレーションします。クローズドループ3dB帯域幅は、約f[_-3dB[]] = 1 /(2π×R_]]f]]]f_f]]F[[FLT:]]]]] - 1π[[FLT = 1π± 5Hz] - 1Hz - 1Hz - 50°C = 1 / 5Hz未満の低音が、低音が低音が低音が、低音が低音が低音が低音が低音が低音が低音で、低音が低音が低音が低音が低音が低音が低音で、低音が低音が低音が低音が低音が低音で、低音が低音が低音が低音が低音が低音が低音が低音が低音で

DC光測定に適した安定した低ノイズTIAを収蔵します。高速化のために、R_f]を削減し、低容量フォトダイオードを使用します。

シミュレーションとテストのヒント

プロトタイプを作成する前に、選択したオペアンプとフォトダイオード(静電容量と分岐抵抗を含む)の詳細なSPICEモデルを使用してTIA回路をシミュレートします。ピーク(不足分の相マージンを示す)のためのクローズドループ周波数応答を調べ、C_fを調節します。入力が開いたまたはダミーレジスタで出力ノイズを測定します。物理的なノードを移動させると、PCBを短時間で保護し、適切な性能を発揮します。干渉を低減し、アスペクタンスを最小限に保ちます。

外部リソース

さらなる読書については、これらの権威あるアプリケーションノートを参照してください。

コンテンツ

比光信号検出のためのトランスピーダンスアンプの設計は、慎重に構成された選択と補償を通じて、ゲイン、帯域幅、騒音、および安定性のバランスをとる必要があります。光ダイオードの特性、オペアンプの制限、およびフィードバックネットワーク値の影響を理解することで、エンジニアは、低光DC測定と高速光通信の両方のための信頼性の高い回路を作成することができます。シミュレーションと試作は、性能を検証し、設計がアプリケーション固有の要件を満たしていることを確認するために、重要な手順のままです。