Photodiode 탐지를 위한 Transimpedance 증폭기에 소개

TIA는 광학적인 광학적인 커뮤니케이션과 LIDAR에서 생물 의학 감지기 및 산업 가벼운 장벽에 배열하는 신청에 있는 광학적인 힘의 정확한 측정을 가능하게 합니다. TIA는 균형 이익, 대역폭, 소음 및 안정성이 검출한 신호를 저항하기 위하여, 그리고 기술적으로 재현하기 위하여 기술을 이용합니다. 이 문서는 TIA는 광학적인 신호, 광학적인 신호, 광학적인 신호 및 광학적인 신호의 정확한 측정을 가능하게 합니다. TIA는 광학적인 신호, 광학적인 탐지를 위한 심층적인 가이드를 제공합니다. TIA는 광학적인 신호, 광학적인 탐지를 위한 광학적인 지도를, 그리고 신호의 정확한 측정을 가능하게 합니다.

Photodiode Behavior 및 전류 변환

Photodiodes는 사건 빛 강렬에 현재 비례를 생성합니다. photoconductive 형태 (역방향 바이스에)에서는, photodiode는 빠른 응답 및 더 낮은 용량을, 광전지 형태 (제로 바이스)에서 그것은 어두운 현재를 극소화합니다. photocurrent는 nanoamperes에서 millieres에 전형적으로 배열합니다. 표준 전압 증폭기는 직접 이 현재 산출을 취급할 수 없습니다; 대신, transimpedance 증폭기는 광전지 전류를 입력하고십시오 [LT] [LT]를 출력합니다: [F] [F]: [F] [F]:] [F]:] [F] [F]]:]

Transimpedance 증폭기 기초

응답 저항기 (R]f])와 입력을 반전하는 산출에서 입력을, 변환장치 입력과 배경 사이 광다이오드 연결해 산출에서, (또는 bias 전압), 기본적인 TIA를 형성합니다. 비 변환장치 입력은 전형적으로 지상에 놓이거나 편향됩니다. op-amp의 높은 개방 루프 이익은 사실상 배경에 얻기 위하여 입력을 반전하는, 그래서 모든 전압을 통해서, (FLT: 1)는, (FLT: 1))를 통해서 산출을, 출력하는 빈도를 포함합니다: [FLT:]FLT: 2: 2: 2: 1: 2: 1: 1: 1: 1: 1: 1: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 2: 3: 3: 3: 3: 3: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4: 4

핵심 성과 모수

대역폭 및 주파수 응답

TIA 대역폭은 op-amp의 Gain-bandwidth 제품 (GBW)에 의해 제한되며, inverting 노드 (Photodiode 커패시턴스 + op-amp 입력 커패시턴스 + 패시틱 커패시턴스)의 총 입력 커패시턴스입니다. 지배적 인 극은 R]f로 설정되며, 총 커패시턴스가 약 [FLT:][FLT:]][FLT:]]를 선택하거나, 더 높은 출력을 갖는 것을 나타냅니다.

소음 분석

TIA의 소음은 Rf]에서 열소성, 광다이오드 어두운 현재 및 신호 전류에서 총 소음, op-amp의 전압 및 전류 소음을 포함합니다. 총 출력 소음은 이러한 기여의 뿌리-sum-square입니다. 피드백 저항기는 낮은 주파수에서 열소성 도분을 최소화하지만 낮은 저항을 사용하여 감소 할 수 있습니다 (낮은 이득의 비용). Op-LT: (LT: 1)는 LT:2)에 의해 LT:3 (선택).

안정성 보상

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구성요소 선택

Op-Amp 선택

올바른 조작 증폭기를 선택하면 중요합니다. 주요 사양은 다음과 같습니다.

  • 입력 바이어 전류:]은 최소 포토 전류보다 상쇄 오류를 피하기 위해 훨씬 작아야 합니다. JFET 또는 CMOS 입력 단계는 femtoampere 바이어 전류를 제공합니다.
  • Gain-bandwidth 제품:]는 10배 이상 안정적인 작동을 위한 원한 TIA 대역폭이어야 합니다.
  • 입력 커패시턴스:] 낮은 입력 커패시턴스는 C]에서를 감소시키고 대역폭을 향상시킵니다.
  • 전압 및 전류 잡음: 저소음 밀도(예: 1.2 nV/√Hz 및 1 fA/√Hz)는 출력 소음을 최소화합니다.
  • 슬러 비율: 필수 주파수에서 최대 출력 스윙에 대한 탄력성.

TIA 디자인을 위한 대중적인 op-amps는 OPA847 (ultra 저잡음, 광대역), OPA656 (JFET 입력), ADA4817 (저음, 고속) 및 LTC6268 (고속, 낮은 바이스 현재)를 포함합니다.

피드백 저항기 및 커패시터 값

FLT:0]f]f은 필요한 transimpedance 이득에 의해 결정된다: ]R]f] = V]out,max]] / Iph,max] .LTLTLT:0LT:0LT]. 높은 값은 CFLT:1FLT:1FLT:1FLT:1FLT:2]의 값은 CFLT:1FLT:1FLT:1FLT:2FLT:2FLT:1FLT:1FLT:2FLT:1FLT:2FLT:2FLT:1FLT:2FLT:1FLT:2:2FLT:2:2:2:2:2:2:2FLT:2:2:2:2:2:2:2:1FLT:0FLT:2:2:2:2:2:2

고급 TIA 구성

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Practical 디자인 보기

주변 광 센서에서 사용되는 저소음 광 수신기에 대한 디자인을 고려하십시오. 포토다이오드 (예 : BPW21R)은 550 nm의 0.6 A / W의 감도와 0 V 바이알에서 70 pF의 용량을 가지고 있습니다. 예상 최대 광 전류는 1 μA ( 1.67 μW 광 출력에 해당)입니다. 원하는 출력 전압 스윙은 마이크로 컨트롤러 ADC와 인터페이스 3 V입니다.

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
OPA145(I]b]=2 pA, GBW = 5.5 MHz)와 같은 낮은bias-current JFET op-amp를 선택하면 됩니다. 전압 소음 (7 nV/√Hz) 및 현재 잡음 (0.8 fA/√Hz)는 이 수준에 적합 합니다.

Step 3: Calculate Feedback Capacitor
총 입력 용량 Cin = 포토다이오드 커패시턴스 (70 pF) + op-amp 입력 커패시턴스 (4 pF) + 스레이스 (5 pF) = 79 pF. 규칙을 사용하여: Cf[FLT:]]] = 0.87 = ≈ = ≈ = ≈ = ≈ = 0.000F.

Step 4: 성능]
SPICE에 대한 수정: 닫히는 루프 -3 dB 대역폭은 대략 f]-3dB] = 1 / (2π × Rf] × Cf]]]]]]]]=1 kHz에서 출력되는 1,5 kHz에서 출력을 갖는 1,5 kHz에서 출력을 kHz에서 출력한다.

이 디자인은 DC 빛 측정을 위해 적당한 안정되어 있는, 낮 소음 TIA를 산출합니다. 고속을 위해, R] f를 감소시키고 낮 수용량 광diode를 이용합니다.

시뮬레이션 및 테스트 팁

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외부 자료

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광다이오드 신호 탐지를 위한 transimpedance 증폭기를 디자인하는 것은 주의깊은 성분 선택과 보상을 통해 이득, 대역폭, 소음 및 안정성을 균형을 잡습니다. photodiode의 특성, op-amp의 한계를 이해하고, 의견 네트워크 가치의 충격은, 엔지니어는 낮은 빛 DC 측정 및 고속 광학적인 커뮤니케이션을 위한 믿을 수 있는 회로를 창조할 수 있습니다. 시뮬레이션과 prototyping는 성과를 확인하기 위하여 근본적인 단계 남아 있고 디자인 대회 신청 특정한 필요조건을 지킵니다.