Разработка точной схемы биассинга для фотодиодов с использованием Op Amps

Фотодиоды являются фундаментальными компонентами в системах оптической связи, зондирования и измерения. Однако их производительность напрямую зависит от стабильности и точности смещающей цепи, которая обеспечивает обратное напряжение. В высокоскоростных или низколегких приложениях даже колебания напряжения смещения в микровольтах могут вызывать значительные ошибки измерения. Оперативные усилители (op amps) предлагают элегантное решение для генерации сверхстабильных напряжений смещения с минимальным шумом. Эта статья предоставляет подробное, инженерно-ориентированное руководство по проектированию прецизионной смещающей схемы для фотодиодов с использованием op amps, охватывающее топологии схемы, выбор компонентов, анализ шума и практическую реализацию.

Основы фотодиодного биасинга

Понимание того, как фотодиод работает при смещении, имеет решающее значение перед проектированием схемы управления. Фотодиод может работать в одном из двух основных режимов:

В фотопроводящем режиме напряжение смещения обычно устанавливается между 5 В и 30 В в зависимости от максимального рейтинга фотодиода и требуемой полосы пропускания. Напряжение смещения должно оставаться постоянным, чтобы избежать изменения чувствительности фотодиода и емкости соединения, что введет искажение сигнала. Любая рябь или дрейф в питании смещения будут соединяться непосредственно с выходным сигналом.

Поэтому точные схемы смещения должны обеспечивать:

Ключевые соображения дизайна

Перед выбором компонентов определите системные требования. Перечислите требуемый диапазон напряжения смещения, максимально допустимый шум, температурную стабильность и бюджет мощности. Критические параметры включают:

Стабильность и регулирование

Напряжение смещения не должно изменяться при изменении тока нагрузки (темный ток фотодиода плюс фототок). Поскольку темный ток удваивается примерно каждые 10 °C, схема смещения должна поддерживать напряжение независимо от температурных смен тока. Достичь этого с помощью конфигурации с замкнутым контуром с точностью отсчета напряжения.

Шумовое исполнение

И эталон напряжения, и усилитель оптики способствуют общему шуму выхода. Фотодиод является источником высокого давления, поэтому даже небольшой шум напряжения может быть преобразован в значительный шум тока через емкость фотодиода. Используйте усилители оповещения с низким шумом (например, ]OP27 , OPA827 ) и ссылки с низким широкополосным шумом (например, ADR445 ).

Дрифт температуры

Например, 5-вольтовая ссылка с Tc 3 ppm/°C будет дрейфовать только 15 мкВ при изменении 10 °C. Если система работает в широком температурном диапазоне, рассмотрите автоматически нулевые или стабилизированные вертолетом операционные усилители для уменьшения смещения дрейфа.

Особенности защиты

Фотодиоды чувствительны к обратному перенапряжению. Если смещение питания нарастает слишком быстро или испытывает переходный период, фотодиод может быть поврежден. Резисторы серии (например, от 10 до 100 Ω) могут ограничивать ток, а диод Зенера или зажим ТВС могут защищать от перенапряжения. Многие прецизионные операционные усилители имеют внутреннюю защиту короткого замыкания, но добавление внешней защиты разумно.

Критерии выбора Op Amp

Выбор правильного операционного усилителя является наиболее важным шагом. Следующие параметры должны соответствовать приложению:

Если напряжение смещения должно быть регулируемым, рассмотрите цифровой потенциометр или DAC в петле обратной связи, но будьте осторожны с дополнительным шумом.

Топологии цепей для точного бисинга

Несколько схемных архитектур подходят для генерации стабильного напряжения смещения фотодиода.Выбор зависит от требуемой точности, простоты и от того, является ли напряжение смещения фиксированным или программируемым.

Вольтный последователь с буферной ссылкой

Простейшая топология использует ссылку на прецизионное напряжение, за которой следует усилитель оптики, сконфигурированный как буфер с единичным коэффициентом усиления. Отсылочный выход (например, 10 В) применяется к неинвертирующим входам усилителя оптики, и выход подключается непосредственно к фотодиодному аноду (или катоду, в зависимости от полярности).

Эта схема выигрывает от высокого входного импеданса операционного усилителя (предотвращая нагрузку на эталон) и низкого выходного импеданса. Однако опорное напряжение должно быть тщательно отделено, и операционный усилитель должен обрабатывать емкостную нагрузку фотодиода (обычно от 1 до 100 pF). Небольшой резистор (10-50 Ω) в серии с выходом может улучшить стабильность.

Точный регулятор с обратной связью

Для более высоких требований тока или когда напряжение смещения должно быть установлено на нестандартное значение, более прочная конструкция использует опорное напряжение, усилитель напряжения и транзистор пропуска или простой резисторный делитель в замкнутом контуре. Опорный усилитель сравнивает выход (через делитель) со эталоном и приводит в действие элемент пропуска для регулирования напряжения смещения.

Эта топология может доставлять токи до сотен миллиампер при сохранении стабильности микровольта. Делители чувственного деления должны быть низкотемпературными (например, 5 ppm/°C) типами металлической пленки. Добавить конденсатор от выходного усилителя оптического действия к его инвертируемому входу для компенсации.

Программируемый источник Bias с использованием DAC

При регулировке напряжения смещения динамически (например, в калибровочных или адаптивных системах) может использоваться прецизионный цифровой-аналоговый преобразователь (DAC). Выход DAC буферизируется усилителем op и наносится на фотодиод. Выберите DAC с низкой интегральной нелинейностью (INL < ±1 LSB) и низким уровнем шума. В этой конфигурации шум от внутреннего эталонного и выходного буфера DAC должен быть тщательно отфильтрован с использованием низкочастотного фильтра RC на входе усилителя op.

Подробный выбор компонентов

Каждый компонент в цепи смещения влияет на общую производительность. Ниже приведены рекомендации по критически важным частям:

Ссылка на напряжение

Выберите ссылку с начальной точностью лучше, чем ±0,1% и температурным коэффициентом ниже 10 ppm/°C. Популярные варианты включают серию ADR42x для низкого шума и серию REF50xx (точный разрыв диапазона). Для устройств с питанием от батареи могут использоваться регуляторы с низким выпадением (LDO) с возможностью отсчета напряжения, но их шум часто выше.

Оп-амп

Как уже упоминалось, предпочтительными являются усилители ввода ПЭТ или КМОП. К конкретным рекомендациям (по последним отраслевым стандартам) относятся:

Всегда проверяйте таблицу данных на способность к перемещению емкостной нагрузки. Емкость перехода фотодиода плюс паразиты на плате могут вызывать колебания. Небольшой резистор вывода серии (например, 50 Ω) и конденсатор обратной связи (несколько пикофарад) могут стабилизировать цикл.

Резисторы и емкости

Используйте резисторы из металлической пленки с низким ТК (≤25 ppm/°C) для любого делителя напряжения. Распределение мощности должно быть уменьшено на 50% или более. Используйте керамические конденсаторы (C0G/NP0) для разъединения и фильтрующие конденсаторы, чтобы избежать проблем с поглощением диэлектрика и коэффициентом напряжения. Для фильтрации шума объедините резистор и конденсатор для формирования фильтра нижних частот с частотой отсечки около 1 кГц до 10 кГц.

Защитные диоды

Поместите диод Шоттки с малым сигналом (например, BAT54S) через фотодиод, чтобы зажимать обратное напряжение, если источник смещения выходит из строя или неправильно нарастает. В высоковольтных конструкциях используйте диод Зенера, номинальный немного выше максимального напряжения смещения.

Анализ шума и минимизация

Шум в напряжении смещения появляется в виде сигнала общего или дифференциального режимов на фотодиоде. Основными источниками шума являются:

Чтобы минимизировать шум, используйте следующие методы:

Провести анализ шума с помощью Spice или ручных расчетов.Общий шум RMS на выходе смещения можно приблизительно оценить как корневой квадрат (RSS) эталонного шума и шума усилителя оптики, умноженного на полосу пропускания.

Процедуры осуществления и испытания

Для построения схемы точного смещения требуется тщательная компоновка и проверка.

  1. Прототип на батончике? Используйте безпайковую батончик для начальных испытаний, но будьте в курсе повышенной паразитарной емкости и индуктивности. Для окончательной проверки перейдите на правильную ПХБ с наземной плоскостью.
  2. Включите последовательно. Сначала приложите мощность к усилителю оптики и ссылке без подключенного фотодиода. Измерьте выходное напряжение с помощью мультиметра высокого давления (≥10 MΩ). Проверьте колебания с помощью осциллографа (1:1 зонд, предел полосы пропускания 20 МГц).
  3. Подключите фотодиод с помощью коротких экранированных проводов. Проведите повторный мониторинг напряжения смещения; оно не должно изменяться более чем на несколько милливольт. Измерьте напряжение через сенсорный резистор последовательно с фотодиодом для подтверждения потока тока.
  4. Оценить шум. Используйте осциллограф в режиме переменного тока (1 мВ/див) для наблюдения ряби и шума. Для точных измерений шума используйте предусилитель с низким уровнем шума и анализатор спектра FFT.
  5. Температурные испытания. Поместите цепь в тепловую камеру или используйте тепловую пушку осторожно для мониторинга дрейфа. Тепловая камера может помочь идентифицировать горячие компоненты, которые могут ухудшить точность.
  6. Настройка и калибровка. Если требуется регулируемое смещение, используйте тримм потенциометр или цифровой потенциометр. Калибруйте против эталонного мультиметра.

Документируйте измеренное напряжение смещения, шум и дрейф для каждого прототипа, чтобы сообщить окончательную конструкцию.

Передовые технологии

Для систем, требующих максимальной производительности, рассмотрим следующие улучшения:

Активная охрана утечек токов

При измерении фототоков в диапазоне пикоампера токи утечки платы могут повредить смещение. Активное защитное кольцо, приводимое в действие выходом усилителя оптики с тем же потенциалом, что и смещенный узел, устраняет утечку, поддерживая нулевое напряжение по поверхности доски.

Кельвин Чувство напряжения в пространстве

Для обеспечения того, чтобы точное напряжение смещения появлялось по фотодиоду, используйте соединение с четырьмя проводами (Кельвин): нажмите на уклон через одну пару проводов и ощутите напряжение на фотодиодных терминалах с отдельной парой высокого давления, подаваемой обратно в усилитель оптики. Это компенсирует падение напряжения в проводах и следах.

Цифровая калибровка и компенсация температуры

Интегрировать микроконтроллер с АЦП для контроля напряжения смещения и температуры окружающей среды.Микроконтроллер может регулировать DAC или цифровой потенциометр в режиме реального времени, чтобы компенсировать дрейф, достигая долгосрочной стабильности ниже 1 ppm.

Заключение

Проектирование схемы точного смещения для фотодиодов с использованием операционных усилителей требует тщательного внимания к выбору компонентов, топологии схемы, управлению шумом и тестированию. Выбирая низкошумный, низкодромный усилитель и контрольное напряжение, а также путем реализации надлежащей фильтрации, защиты и компоновки, инженеры могут достичь напряжения смещения, стабильного в течение нескольких микровольт с течением времени и температурой. Независимо от того, является ли приложение высокоскоростной оптической связью или чувствительным инструментом спектроскопии, принципы, изложенные здесь, обеспечивают прочную основу для смещения фотодиода. Дальнейшее чтение по конкретным семействам усилителей оптического излучения и методам анализа шума доступно из Аналоговых устройств и Техасские приборы .