Apelfifier Penerjemahan untuk Penguatan Sinyal Fotodiode

Pengantar FOTA untuk Penerjemahan Pemerasan untuk Pengesanan Fotodiode

Sebuah transimpedance amplifier (TIA) adalah blok bangunan dasar untuk mengubah keluaran arus kecil dari sebuah fotodiode menjadi sinyal tegangan yang dapat digunakan. Sirkuit ini memungkinkan pengukuran tepat dari kekuatan optik dalam aplikasi yang berkisar dari komunikasi serat optik dan LIDAR ke sensor biomedis dan hambatan cahaya industri. TIA harus menyeimbangkan gain, bandwidth, noise, dan stabilitas untuk dengan setia mereproduksi sinyal yang terdeteksi. Artikel ini menyediakan panduan dalam kedalaman untuk merancang sirkuit TIA yang kuat untuk deteksi sinyalode fotodi, meliputi fondasi teoretis, pemilihan komponen, langkah desain praktis, dan pertimbangan yang canggih.

Pemrograman Perilaku Fotodiode dan Penukaran Saat Ini ke Pemrograman

Wahode fotodiode menghasilkan proporsional saat ini terhadap intensitas cahaya insiden. Dalam mode fotokonduktif (dengan bias terbalik), fotodiode menawarkan respon yang lebih cepat dan kapasit yang lebih rendah, sementara dalam mode fotovoltaik (sero bias) ia meminimalkan arus gelap. Fotocom yang biasanya berkisar dari nanoamperes ke miliamperes. Sebuah amplifier tegangan standar tidak dapat menangani secara langsung keluaran saat ini; sebaliknya, sebuah amplifier transimpedan menggunakan amplifier fotodiode arus sebagai masukan dan menghasilkan tegangan output _{] Ini adalah desain inti dari TFL[TFL2:2[TFL:3][TFL]][TFL]][TFL]][TFL]][TFL]][T]:1][T]][TFL]][T]][TFL]]:R]][TFL]][T]] adalah:[TFL]].}

Penerjemahan yang Memerlukan Pencairan

Sebuah penguat operasional yang dikonfigurasi dengan resistor umpan balik (R_]f) dari output ke input terbalik, dengan fotodiode yang terhubung antara inverting input dan ground (atau tegangan bias), membentuk TIA dasar. Input non-invertasi biasanya digiling atau bias. Op-amp yang tinggi membuka-loop memperoleh daya inverting masukan untuk menjadi virtual ground, sehingga semua fotocurrent melalui R_], menghasilkan output. Prospektor sendiri menetapkan transimpansi, tetapi desain praktis juga harus termasuk kapitor analog (CFL]] dalam mode paralel) dan respons paralel[TFL]].[T4]]

Parameter Kinerja Kunci Fear

Frekuensi dan Respons Kelebaran Jalur Lebar Band

Perlebaran TIA dibatasi oleh produk op-amp gain-bandwidth (GBW) dan total kapasit input pada node terbalik (pobacatansi op-amp + kapacitansi input op-amp + kapasitansi parasit). Tiang dominan ditetapkan oleh R_f] dan kapasit total kapasit input op-amp, menghasilkan lebar sepur terbuka dari kira-kira [[FLT:]]f[FLT3]][FLT4]][10T4] dan inputan tinggi [2] R[TFLTFLTFL:2], untuk tujuan tinggi atau tujuan tujuan tujuan:[FL]] untuk tujuan:[FL]] untuk tujuan:[FL] atau tujuan yang lebih tinggi atau tujuan tujuan tujuan:[FL]

Analisis Hingar

Sumber-sumber noise dalam TIA termasuk kebisingan termal dari R_]f, tembakan kebisingan dari arus gelap fotodiode dan sinyal arus, dan tegangan op-amp dan kebisingan arus. Total kebisingan output adalah root-sum-square dari kontribusi ini. Suara termal umpan balik resistor mendominasi pada frekuensi rendah tetapi dapat dikurangi dengan menggunakan resistensi lebih rendah (dengan biaya gain lebih rendah). Bunyi tegangan op-amp adalah a disederhanakan oleh gainasi suara (1 + C[FLT2][TFL3:[T4][TFL4][T4]:FL5]] pada frekuensi tinggi untuk memilih sebuah op-upping voice yang rendah untuk memilih sebuah op-upping use (terbiting) untuk use-uplikasi yang sangat rendah (optimale) dan o-upping jaringan yang sangat rendah (terbit) untuk mengoptimalkan suara yang sangat mudah digunakan.

Kompensasi Stabilitas

Tanpa kompensasi, TIA dapat osilasilasi karena pergeseran fase yang diperkenalkan oleh kapacitansi masukan dan kutub internal op-amp. Menambah kapasitor umpan balik C_f secara paralel dengan R_]f] memperkenalkan nol yang membatalkan kutub, memperbaiki marjin fase. Nilai optimal yang biasanya dipilih sehingga frekuensi nol sama dengan titik titik titik titik dan titik kesatuan op-amps[fT:3]] dengan titik balik: Sebuah aturan umum dari ibu jari: [[FLTFL:[3][3][T] [FL]] [T] [FL]]: ] [FL] [FL]] [FL]: ] ] untuk titik titik titik titik titik titik titik titik titik titik titik: [3] [3] [T]]: [FL] [3]] [3]]]]]: [3]]]] [: [3]]]]]]]]] [R]]: [FL]]]] [FL]]] [FL]]: [RFL]]]] [RFL]]]: [: [3]]

Pemilihan Komponen bagi Daerah

Pemilihan Op-Ampōō

Spesifikasi kunci termasuk:

• [[EfrondFLT:0]]Input bias arus: Mesti jauh lebih kecil daripada fotocurrent minimum untuk menghindari kesalahan ofset. JFET atau tahap input CMOS menawarkan arus bias femtoampere.
• [ZOGALT:0]]Gain-bandwidth product:] Seharusnya setidaknya 10 kali bandwidth TIA yang diinginkan untuk operasi stabil.
• Ketakmampuan input rendah mengurangi total C_]in] dan meningkatkan bandwidth.
• [Eflat]
• Slew rate: Cukup untuk ayun output maksimum pada frekuensi yang diperlukan.

Popular op-amps untuk desain TIA termasuk OPA847 (ultra-low noise, wideband), OPA656 (JFET input), ADA4817 (low noise, high speed), dan LTC6268 (high speed, low bias current).

Suap Kembali Suap Bejiguna dan Nilai Kapasitor

Penolak umpan balik R_]f ditentukan oleh perolehan transimpedance yang diperlukan: R_f = V_]out,max / I_f,max. Nilai tinggi memberikan output yang lebih besar tetapi batas lebar dan meningkatkan kebisingan. Dalam desain kecepatan tinggi, RFL[T10][TFL]] digunakan sebagai tipikal antara 1 0° 0] dan 50- 0[FL] untuk aplikasi rendah RFL]], R[FL]] dapat lebih banyak nilai: [FL]] atau lebih banyak lagi nilai kecepatan] M[FL]] untuk nilai kecepatan: RFL[T[FL]] untuk nilai kecepatan: RFL[T] [10] [10], FL]] untuk nilai C[10] untuk: FL]] untuk nilai C[10] untuk: FL]] untuk nilai: FL[10] C[10] untuk nilai: FL]] untuk: FL[10] C[10]

Konfigurasi TIA Lanjutan Fahikro

Untuk deteksi fotodiode berkecepatan tinggi (mis., 1 Gbps link optik), topologi TIA berpenen-tunggal sederhana mungkin tidak memadai. Desain TIA yang berbeda menggunakan dua op-amp untuk menolak kebisingan mode umum dan double signal wing. Pendekatan lain menggunakan topologi cascode (RGC) yang diatur untuk mengurangi impedansi input efektif, meningkatkan bandwidth dengan biaya kebisingan yang lebih tinggi. Sirkuit TIA terintegrasi dari produsen seperti Maxim Integrated, Analog Devices, atau Texas Instruments menawarkan solusi yang dioptimalkan untuk tingkat data spesifik. Tambahan, sebuah fotodiode dapat didisduksi dengan bias dalam mode bebasisasi tegangan untuk mengurangi kap junction dan meningkatkan responnya.

Contoh Desain Praktis

Diakonsi sebuah desain untuk penerima optik bernoise rendah yang digunakan dalam sensor cahaya ambien. Fotodiode (misalnya, sebuah BPW21R) memiliki sensitivitas 0,6 A/W pada 550 nm dan kapativitas 70 pF pada 0 V bias. Fotocurrent maksimum yang diharapkan adalah 1 μA (korrespondering ke 1,67 μW daya optik). Ayunan tegangan output yang diinginkan adalah 3 V untuk antarmuka dengan ADC mikrokontroler.

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.

Keterampilan:[ZOZT:0]]Step 2: Pilih Op-Amp]
A low-bias-current JFET op-amp seperti op-amp OPA145 (I_]b = 2 pA, GBW = 5,5 MHz) cocok. Bunyi tegangannya (7 nV/ ⁇ Hz) dan rain rain voise (0.8 fA/ ⁇ Hz) dapat diterima untuk tingkat gain ini.

[ZOZAT:0]]Step 3: Hitung Suap Balik Asupan]
Total input kapafit C[_in = kapasit fotodiode (70 pF) + kapafit input op-amp (4 pF) + tersasar (5 pF) = 79 pF. Menggunakan aturan: C[T:5]] = ⁇ 7 pF / 2 PJ7 × 3° M) 5 ⁇ 5 ⁇ 5 ( 2 ⁇ 2) / 3 ⁇ 3 ⁇ 3 ⁇ 5 ⁇ 5 ⁇ 5 ⁇ 5 ⁇ 5 ⁇ 5 ⁇ 5 ) = 0 ⁇ 5 ⁇ 5 ⁇ 7 ⁇ 7 ⁇ 7 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

[ZOZT:0]]Step 4: Verifikasi Kinerance]
Simulasi dengan SPICE: bandwidth-loop tertutup -3 dB akan kira-kira f_]-3dB = 1 / (2π × R_]f] × C_{]f[T:8]] = 1 / (2π × 3 MAVO × pF) ⁇ 53 ⁇ , yang memadai dari noise integral ⁇ 3 Hz harus berada di bawah COMFAZUS. COMUS setelah filter eksternal Tfrcy dapat mengurangi kebisingan berkecepatan tinggi.}

Desain ini menghasilkan TIA yang stabil dan bernoise rendah yang cocok untuk pengukuran cahaya DC. Untuk kecepatan yang lebih tinggi, kurangi R_]f dan gunakan fotodiode kemampuan-rendah.

Tip Pengujian dan Simulasi

Sebelum membangun prototipe, simulasikan sirkuit TIA menggunakan model PSICE rinci dari op-amp terpilih dan fotodiode (termasuk daya kapafit dan ketahanan shunt). Periksa respon frekuensi tertutup-loop untuk pemuatan (indicateded fasa margin) dan laras C[_f]] menurut. Mengukur kebisingan output dengan input terbuka atau dengan resistor dummy. Selama pengujian fisik, gunakan enclosure yang terlindung untuk meminimalkan gangguan eksternal. Gunakan pasokan daya bersih dengan rendah transimpleance amplifier untuk sensitivitas untuk artikan suara yang tepat untuk layout PC ⁇ B frit short ground plane, plane di bawah node, dan minimalisance.

Sumber Daya Luaran LUAR

Untuk pembacaan lebih lanjut, berkonsultasi dengan catatan-catatan aplikasi berwibawa ini:

• [[]]Penginstruman Teksa: Transimpedance Amplifier Design ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• []]Analog Perangkat: ⁇ Penguatan Transimpedan untuk Photodiodes ⁇ ]
• Maxim Terintegrasi: ⁇ Berspesifikasi Fotodiode Desain Sirkuit ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Kekecualian Kesimpulan

Ketersediaan dana penguat transimpedance untuk deteksi sinyal fotodiode memerlukan peningkatan gain, bandwidth, kebisingan, dan stabilitas melalui pemilihan dan kompensasi komponen yang cermat.Dengan memahami karakteristik fotodiode, keterbatasan op-amp, dan dampak nilai jaringan umpan balik, insinyur dapat membuat sirkuit yang dapat diandalkan untuk kedua pengukuran DC ringan dan komunikasi optik berkecepatan tinggi. Simulasi dan prototyping tetap langkah penting untuk memverifikasi kinerja dan memastikan desain memenuhi persyaratan aplikasi-spesifik.