Giriş Giriş Giriş

Fotodiodes, modern optik algılamanın temelidir, fototlar analog-enerjik dönüşüm veya sinyal işleme uygulamaları için yeterince güçlü bir elektrik akımına dönüştürülür.Bu, transimpedans (TIA) için uygun fiyatlı bir TIA, olay ışığıyla orantılı olarak, düşük boyutlu bir gerilime yol açar, ancak stabiliteye ve minimiğe ulaşırız.Bu, pratik tasarım ve uygulama tekniklerinizin rolüdür.

Fotodiode Signal Özellikleri

Mekanikleri seçmeden önce, fotodiode'nin elektrik davranışını kavramanız gerekir. Cihazın aktif alanda optik güç olayıyla doğrudan orantılı bir şekilde çalışır. Ancak, birkaç parasitics ve gürültü mekanizması tasarımda dikkate alınmalıdır.

İşletim Moduları: Fotovoltaic ve Photoconductive

Bir fotodiode iki birincil modda çalışabilir.InETHFLT:0)fotoportal mod), diyotun, eğimli ve hareketli koleksiyonu azaltmak için kasıtlı olarak uygulanır, düşük ışık ölçümleri için - hassas yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bant genişliğini sağlar.Inconductive mode).

Anahtar Elektrik Parametreleri

  • [FONTD:0)Junction Capacitance (C)J)[Dönetici:0|Döntgenme:0))) Bu kapasitans, TIA girişi ve doğrudan etkilerdeki kararlılıkta ve gürültü kazanç elde edebilir.
  • [FONT:0)Dark Current (I[D][D][/FONT:2)[D][/FONT=0))))) Küçük bir sızıntı akımı, ışık olmadan bile akışların toplam gürültü katlarına eklediği küçük.
  • [FONT:0]Shunt Direnişi (R[DÜT:1)SH[D:2)[Dönetici:0)[Dönetici), genellikle silikon cihazlar için çok yüksek (gigaohms), ancak yüksek çözünürlükte TIA girişini çok düşük frekanslarda yükleyebilir.
  • [FONT:0)Responsivity (R): ), fotodoks gücü (A/W) Bu, fotodiode ve TIA'nın transimpedans dirençleri arasındaki bölünmeyi belirler.

Hamamatsu gibi üreticilerden fotodiodes, Thorlabs veya Excelitas bu parametreleri belirtmek için ayrıntılı veri tabloları sağlar. Her zaman tasarım sürecine beslenecek, birçok arasındaki varyasyonlar önemli olabilir.

Transimpedance Amplifier Core

Kalpte, bir TIA, geri bildirimde bulunan bir operasyonel yükselteçtir (DDD:0)[Döneticileri ve herhangi bir girişe bağlı olmayan bir çıkış noktası, bir çıkış gerilimi üretmek için kullanılır[Dönemli gerilimler)[Dönemli yükler:2)[Düzgeçmişler[Döndergiler ve/Dönderler)[Düzücüler ve doğrulayıcılar[Döneticiler)[Düzücüler[Döneticiler)

İdeal vs. Gerçek Performans Limitleri

Sonsuz bant genişliği ve sıfır giriş kapasitesi ile mükemmel bir lineer dönüşüm sağlayacaktır. Gerçekte, af-amp'in açık-loop kazancı yuvarlanır ve fotodiode'nin kapasitance ile birlikte hareket eden bir araya gelir ve tüm geri dönüşler için bir araya gelir.

Gürültü Kaynakları ve Onların Katkıları

Düşük gürültü için tasarım, baskın katkıda bulunanların net bir resmini gerektirir:

  • [FONT:0) R [DÜDÜSTRİYESİ] (Dönetici) gürültü (Dönder)[Dönetici)[Dönetici))[Dönetici: 2 ))))))))[Dönetici: [Dönderlik)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))Yüksek çözünürlükte 10 x 10 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
  • [FONT:0)Op-amp giriş gerilimi gürültü (e)))[Dönetici:0) Bu gürültü, yüksek frekanslarda yüksek ses miktarı ile karakterize edilir ve genellikle yüksek hızda kullanılan bir ses miktarı ile artar.
  • [FONT:0]Op-amp giriş mevcut gürültü (örneğin ))[Dönetici:0)[Dönderlik) ve RF) tarafından çarpılır[DÜye ait değildir[DÜye Olmayanlar için [DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.
  • [FONT=0)Fotoğrafçı ses çıkarır: [Dönetici: 0,4] Bir görüntünün ve karanlık akımının kuantum doğasından kaynaklanan, }) = √(2q I)))) Yüksek hassas sistemlerde, bu genellikle 1 nA'nın fotoğraflı bir şekilde ayarlanır.

Toplam çıktı gürültüyü tahmin etmek için, SPICE kullanarak bir gürültü simülasyonu gerçekleştirin veya uygulama notlarını takip edin:0)Analog Cihazlarının Transimpedans Gürültüleri)[Döneticileri )

Detaylı Gürültü Analizi: Pratik Örnek

[Dörtücükler R[Dönetici:0)[Dönetici: 1 MULLY[D) = 10 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Stability ve Geri Bildirim Capacitor

Bir TIA, neredeyse kesinlikle osilatörler veya halkalar ciddi şekilde inşa edilmedi. Fotoğrafçı C)J) ve arsa (D)[Dönetici) ile paralel olarak, arsa (D) geri dönüş faktöründe önemli bir sıfır getirir ve geri bildirim faktöründe önemli bir aşamaya geri yükleme yapar.

Asgari Geri Bildirim Capacitance'ı hesaplamak

Açık-loop cevabındaki baskın kutup, 1/Hıtma faktörü ile etkileşime girer, LR'nin geri bildirim faktörü olduğu yerde (üresel bir tasarım için genel olarak yaklaşık 45° civarında gürültü akışı sabit olduğunda).

[FONT:0)C[DÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜ:2)[Üye: ≥ SİAD (C[DÜye) × GBWP × RF])[FLT: 7)[FLT: 7)[FLT: 7)

GBWP'nin af-amp'ın kazancı-grup genişliğidir. Daha kesin analiz, gürültü kazanç ve açık-loop bir Bode arsa üzerinde kazanır.[Döneticileri:0)Texas Instruments'ın birkaç onuncusu için "Transimpedance Amplifier Stability" uygulaması notu)[MFLT:2F) için minimum hızlanmış olan değeri[D) için ölçülmelidir.

Sendikalar

C) ) istikrar sağlarken, aynı zamanda kapalı havaliman genişliğini azaltır.The –3 dB genişlik yaklaşık 1 /(2TY R[/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT=FONT=) yüksek çözünürlükte bir ağ analizi sırasında genellikle yüksek frekanslı sinyal içeriği bastırarak SNR'yi azaltır.

Yapıdan Önce Stability

SPICE (e.g., LTSpice, Analog cihazlardan özgürce kullanılabilir) döngüyü simüle etmek için büyük bir indüktör (1 GHz veya yüksek değerli bir indüktör) serisine geri bildirim döngüsü ile bir AC testi sinyalini enjekte etmek için geri bildirim döngüsüne göre; Bu işlem zaman ve PCB dönüş hızına göre en az 45° olmalıdır.

Step-by-Step Design Methodology

Teori ile, bu yapılandırılmış diziyi bileşen değerleri elde etmek için takip edin.

1. Define Gereksinimleri Tanımlamak

  • Optik güç aralığı ve istenen çıktı gerilimi hızlanır. Örneğin, 1 nW'den 100 μW'ye maksimum sinyal için 1 V çıktı ile toplam kazanç gereksinimi sağlar.
  • Gerekli bant genişliği (örneğin, 10 kHz bir renkimeter için, optik iletişim için 100 MHz).
  • En kabul edilebilir gürültü zemini, genellikle giriş-re gürültüyü vaat eden mevcut yoğunluk (pA/√Hz) veya RMS gürültü gerilimi.

2. Geri bildirim Dirilişini seçin

R)F) transimpedans kazanır.En yüksek fotoğraflı sesin sesin doğrudan sese ulaşmasına yardımcı olur. Örneğin, 10 μA'nın ortalama 1 V'si, bu da düşük çözünürlükteki 10 yüksek çözünürlükte görünür.

3. Düşük Para Yoku seçin

Bu özelliklere odaklanın:

  • [FONT:0) Düşük giriş önyargısı mevcut (I)B)[Dönetici:0) yüksek giriş için 1 pA'nın altında tercih edilir; JFET veya CMOS giriş yükselteçleri idealdir.
  • [FONT=0) Düşük giriş gerilimi gürültü (e[DÜDÜT:2)[DÜDÜDÜ:2)[DÜye Olmayanlar İçin Değerler 5 nV/128-Süphesiz, özellikle de küçük C) ile uğraşırken (D) .
  • [FONT:0) Yüksek kazanç bant genişliği (GBWP): ), istenen kapalı-loop bant genişliğini desteklemek ve düşük bozulma için döngü kazanç sağlamak için yeterli olmalıdır. 1 MHz ve C).
  • [FONT:0) Düşük giriş kapasitesi: [DÜDÜ:2) C)J) ve exacerbates gürültüyü zirveye çıkar. Common-mode ve dipozisyon kapasitesi küçük olmalıdır (birkaç pF).

Mükemmel adaylar LTC6268/6269 serisini (femtoampere önyargı, düşük e) içerir ), OPA380 (precision, bütünleşik kazanç seçenekleri), veya ADA45-1 çok yüksek bant genişliği için.

4. Stability Capacitor

Geometrik bölümden denklemi kullanarak, minimum C)F) hesaplanan minimumdan biraz daha fazla standart kapasitör değerini seçin, sonra simülasyon veya yüksek ücretli bileşenler için, CF]) daha düşük gerilim katarağıtları için idealdir ve düşük çözünürlükte düşük bir kablo veya yüksek çözünürlükte veya yüksek çözünürlükte.

5. Bias ve Giriş Koruma

Fotokodüktif modunda çalışırsa, katode'yi temiz, sabit bir önyargı gerilimi yere bağlar.Küçük bir seri direnç (örneğin, fotoğrafta LT6655 gerilimi referansı). anode girişte TIA'ya gider.For fotovoltaik mod, inverting input.Fortoksit koruma korumasına kadar anodeyi bağlar (örneğin, BAĞLANTILAR) Eğer over-lej koruma koşulları ile mümkün olan bir hasara karşı çalışır.

Layout ve Shielding for Ultimate Performance

Mükemmel bir hesaplanmış devre bile fakir PCB düzeni tarafından mahvedilebilir. Açıklamakasyon (örneğin, af-amp) aşırı derecede hassas bir yüksek kesintiye uğramaz: Bu yönergeleri dikkatle takip edin:

  • [FONT=0)Guard halkaları:[Dönderilmiş bağlantı ve fotodiode bağlantı, yüksek gerilimli (çeğitsiz zemin) veya herhangi bir tamponlama potansiyeli ile çalışır.Bu, yakındaki yüksek gerilim düğümlerinden gelen sızıntı akımlarını en aza indirir.
  • [FONT:0) Açıklanması gereken bir özelliktir: [Döntgen: 0 )) Sürekli olarak, bu alanda bakır miktarı azaltın, yüksek hacimli bir yük için, hatta 0.1 pF bile bant genişliği ve gürültü performansında bozulmaz.
  • [FONT:0) Geri bildirim ağı, 2-3 mm'ye yakın olan geri bildirim ağına bağlı olarak, ) [D) ve C)[D[D[DÜye Olmayanlar 2-3 mm'ye kadar yerleştirilen yüzeysel bileşenler olmalıdır.
  • [FONT:0)Power tedarik dekoupling:[Dönetici:[Dönetici: 0) Bir 100 nF seramik kapasitör kullanarak, 10 μF tantalum veya MLCC ile her güç piminde, mümkün olduğunca yakın yerde bulunan bir köşe frekansı oluşturabilir. Ferrite beads veya küçük direnççiler yüksek frekanslı gürültüyü geçiş düzenleyicilerinden reddetmeleri için düşük frekanslı filtreler oluşturabilir. Örneğin, 10 TELF kapasiteli bir direnç veya 10 μF kapasitor, 1.6 kHz.
  • [FONT:0)Shielding: [Dönetici:[Dönetici:0)) ] En yakın fotoğrafçı ve tüm TIA aşamasını devre zemine bağlı bir metal muhafazada devre dışı bırakmak için.Bu kalkanlar, yüksek hacimli bir kutuya kolayca çiftleştirebilir.
  • [FONT:0)Ground uçakları: [Döntgen: 1] Katı, düşük hacimli bir zemin uçağı kullanın, ancak dijital veya güç zemininden hassas analog zemini zeminden zeminden zeminden uzak durarak zemine geri döner.Bir tek nokta yıldız zemin yaklaşımı genellikle en iyi şekilde çalışır, TIA zemini merkezi nokta olarak çalışır.

Gelişmiş Layout: Bir Yer Cutout ve Stitching Vias

Toplamlama kavimsi için, tüm katmanlarda doğrudan kavim altında bir boşluk yaratın.Düzüğün uzunluğu (her 2-3 mm) zemin düzlemlerini, parça yoğunluğuna bağlı olarak, alt tabakalara bağlı olarak bağlar.Bu düşük yükleyici bir darbeyi korurken, aparatın çıkışının geri dönüşü için boş yere doğru yol tutmalıdır.

İnşaat ve Assembly İpuçları

Prototiplemeden kaçının, metal film veya ince film geri bildirimleri direniciler (örneğin, Vishayvan Serileri) düşük aşırı gürültüden kaçının. Karbon azaltıcı dirençten kaçının, hangi hesaplanmış C) CF[FLT[FLT] için, yüksek çözünürlükte küçük bir bakır ölçüm cihazı kullanın.

Piknikler, mevcut olmayan bir sürüklülmeler, güvenlikli halka karşı koruma yolları oluşturabilir. satıldıktan sonra, gemiyi tamamen basit bir şekilde temizleyip test etmeden önce kurutmasına izin vermeli. kritik uygulamalar için uygun bir kaplama oluşturabilir.For critical applications, consideral kaplama neme karşı korumak için.

Test ve Optimizasyon

Devre toplandı, performansı ve iyi parça değerleri doğrulamaya devam edin.

  1. [FONT=0)DC kontrolleri: [Dönetici üzerinde ışık olmadan, şu anki gerilimi ölçmek için anlık bağlantıya (ortalama için hesaplama) veya herhangi bir büyük dengeleme (örneğin,) mümkünse.
  2. [[Düzücük kontrol: [Dönetici: 0,2] Çıkışın yüksek bant genişliği oscilloskopu ile giriş yaparken, bir mantık kapısı tarafından yönlendirilen bir LED (ve) hafifçe aşırı yükleme faktörü ortaya çıkarabiliyorsa, C).
  3. [FONT:0) Ölçüleme:[Dönemli:[Dönersiz) Bir spektrum analizörü kullanın veya düşük çözünürlükte bir önyükleme (gerçekten bir RMS voltmeter) testi için ses çıkarmak için doğru bir uyarıda bulunan bir taşıyıcı veya ultra-düşükücük.
  4. [FONT:0)Band genişlik doğrulama:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir transkondüktör tarafından kullanılan bir LED (örneğin, bir anahtar-in amplifikatör veya ağ analizörü ile frekanslayın. C).

Precise Tuning için bir Ağ Analizi Kullanımı

Bir vektör ağı analizörü (VNA), TIA girişinin küçük bir enjeksiyon dirençle (örneğin, 1 kULL) VNA'nın kaynağından (VNA) kaynaklanır ve en iyi ticaret hacmine ve geçiş fonksiyonunun elde edilmesi gerekir.

Performansı için İleri Teknikler

Temel TIA aynı anda agresif gürültü ve bant genişliği hedeflerine ulaşamadığında, bu kanıtlanmış geliştirmeleri göz önünde bulundurun.

Giriş Capacitance'ı azaltmak için delik

Fotodiode'nin parasitik vakasını kullanarak ve yükleme etkisini etkili bir şekilde nötralize eden bir kombinasyonla karşı karşıya kalarak, optik iletişim için etkili giriş kapasitesinin önemli ölçüde azaltılabilir.Bu bootstrapping tekniği, yüklerin yakınında gerilim tutar ayrıntılar).

Ampiifier

Bir kompozit TIA düşük boyutlu, düşük bant genişliği ön uç arka planlı bir amplitüdün geri bildirim döngüsü içinde yüksek hızlı bir yükselteçle bir araya gelir.Bu düzenleme, daha hızlı bir yükselteçliğe ulaşmada hala düşük mevcut bir JFET yükseltici gürültüyü sağlayabilir. Tasarım daha karmaşıktır, iç ve dış döngülerin dikkatli bir şekilde tazminat gerektirir, ancak spektroskopik enstrümantasyon ve kapak alıcıları gibi uygulamalar için olağanüstü gürültü-gruplar için olağanüstü bir ticaret-offlar sağlar.

Inverted veya Diferansiyel TIAs

Ek olarak, diferansiyel fotodiode okuma (örneğin, dengeli fotodetektörler), tam olarak diferansiyel TIA topoloji, stray ışık ve güç tedarik dalgalanmalarından ortak mod gürültüsünü reddedebilir. tazminat ilkeleri benzer kalır, ancak geri bildirim ağı iki katına çıkar ve ayırıcı TIAs ayrıca verilen bir fotoğraf için sinyal salımı iki katına çıkarır.

DC Hassasiyeti için Auto-Zeroing

Uygulamanız son derece düşük dengeleme ve sürükleme talep ederse (örneğin, uzun süre boyunca foto akımları entegre etmek veya DC ışık seviyelerini ölçmek), bir oto-zero veya chopper-stabilized op-amp like LTC2057. Bu yükselteçler 5 μV ve yakın-zero aşırı sıcaklık üzerinde kaymak için tipik bir dengeleme gerilimi vardır, ancak bu gürültüyü dolayabilmeleri için birkaç kHz kullanılmaktadır.Bu gürültüyü düşük frekanslı filtrenizin dışına çıkarır.

Ortak Pitfalls ve Sorun Gidering

Deneyimli mühendisler bile sorunlarla karşılaşırlar. İşte sık suçlular ve onların ilaçları:

  • [FONT:0)Persistent oscillation in appropriate C[DÜT:1]F)[Döneticileri)) Yerinden uzaklaştırmak için kontrol edin; seri bir ferritme veya geri çekilmez girişten (500 LOW) fotoğrafa yakın TIA girişine karşı küçük bir mazlumağı göz atın.
  • [[Düzücük gürültü (/f) düşük frekanslarda: [Düzg: 1) OPA189'ın 1/f gürültüsü her zaman mevcut, doping veya otomatik-zero yükselteçleri uygulamanız izin verirse sinyal bandından geçebilir.
  • [FONT=0]Output sıcaklıkla sürüklenir:[Dönetici: 0 3) Doğru olmayan terminalde yer alan bir dizide bulunan bir alt noktadır.
  • [FONT:0) Büyük amplifiğe işaret etmek: [Dönetici: 0,3|Döntilmiş yükselteçmiş yükselteçin en yüksek beklenen DV /dt = IF, max[FLT: 5)[D)[D)[D)[D)[D)[D))[Dörtüncü derece yüksek çözünürlükte olan 100 / 5 x = 100 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
  • [FONT:0) Önlem tedarikinden vazgeçin:[Dönetici: 1 ) TIA zeminine adanmış bir düşük gerilim referansı kullanın (örneğin, LT6655, ADR4550) fotodiode önyargı oluşturmak için.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sabit, düşük ses için sabit bir transimpedans yükselticisi inşa etmek, yarı iletken fiziği, analog devre tasarımı ve dikkatli fiziksel uygulama. Geri bildirim direnci, parasitic kapasitance, op-amp seçimi ve yönetim düzeni, düşük gürültü için bileşenleri uygun şekilde seçerek, doğru geri bildirim tazminatını kullanarak ve yüksek hacimli bir bağlantı kurmanızı sağlamak için en uygun şekilde bir TIA'yı güvenli bir şekilde dönüştürebilirsiniz.