Fotodiode Tespit için Transimpedance Amplifiers'a Giriş

Bir transimpedans yükseltici (TIA), bir fotodiode'nin küçük mevcut çıktısını tespit etmek için temel bina bloğudur. Bu makale, fiber optik iletişim ve LIDAR'dan biyomedikal sensörler ve endüstriyel ışık bariyerleri ile ilgili uygulamalar için kesin bir ölçüm sağlar. TIA, sinyalin tespit edilmesi için net bir şekilde dengelenmelidir.Bu makale, fotodiode sinyal algılama, teorik, bileşen seçimi, pratik tasarım adımları ve gelişmiş düşünceler için sağlam bir TIA devresini tasarlamayı sağlar.

Fotodiode Davranış ve Şimdiki-Voltage Dönüşüm

Fotodiodes, ışık yoğunluğuna uygun olarak mevcut bir orantılıdır. fotokodüktif modda (gerisi ile), fotodiode daha hızlı yanıt ve daha düşük kapasitelidir, ancak fotovoltaik modunda (zeroaq) en aza indirmek için şu anda daha az geçerlidir:0)[Dönemli aralıklar[Dönemli olarak).[Dönemli bir gerilimler için).

Transimpedance Amplifier Fundamentals

Bir geri bildirimde bulunulan bir işletimsel yükselteç (R[DÜDÜ:0) Notu[Dönetici: 1 ), girişten girişe kadar, sanal zemine bağlı olarak, tüm fotoğraf akımları ve zemini (veya bir yan gerilimi) oluşturur.[Dönlendirme işlemiş olmayanlar genellikle geri bildirim veya önyargılı olarak yapılır.

Anahtar Performans Parametreleri

Band Wide and Frekans Yanıt

TIA bant genişliği, af-ampiyonun kazan-çakalıcısı tarafından sınırlıdır (GBW) ve toplam giriş kapasitesinin yüksek çözünürlükte (fotoğrafda + af-amp giriş kapasitesinin yüksek olması gerekir[Dönetici)[Dönetici = 1 / (2: 4 )

Gürültü Analizi

Bir TIA'daki gürültü kaynakları R'den ) ısıtılır[Dönder: 1 ), fotodiode karanlık akım ve sinyalden gelen gürültüyü ve af-amp'ın gerilimi ve mevcut gürültüyü seçmek, toplam gürültünün ( + C[D) kök-squaresinin ısıtılmasıdır.[Döndergiler için düşük frekanslılar için düşük frekanslılar tarafından azaltılabilir.

Stability Compensation

● Bir cevap vermeden, CFLT'nin (CFLT) ile paralel olarak, CFLT'nin (CFLT) eşitlediği bir sıfıra ([P)[B) eklediğine göre, CFLT'nin (CD) = 5 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Kazanılan Derece

Op-Amp Selection

Doğru operasyonel yükselteç seçmek kritiktir. Anahtar özellikler şunlardır:

  • [FONT=0)Input önyargı şu anda:[Dönetici:[Dönetici:0)))) Hataları dengelemekten kaçınmak için en az fotoğraftan çok daha küçük olmalıdır. JFET veya CMOS giriş aşamaları femtoampere önyargı akımları sunar.
  • [FONT:0)Gain-band genişlik ürünü:, stabil operasyon için istenen TIA bant genişliğinin en az 10 katı olması gerekir.
  • [FONT:0)Input cleance:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici: 4 )
  • [FONT=0]Voltage ve mevcut gürültü: Low gürültü müstakileri (örneğin, 1.2 nV/√Hz ve 1 fA / √Hz) en aza indirmek için.
  • [FONT=0)Slew oranı:[Dönetici:0)) Gerekli frekansta en yüksek çıktı için Sufficient.

TIA tasarımları için popüler akorlar, OPA847 (ultra-düşük gürültü, geniş bant), OPA656 (JFET girişi), ADA4817 (düşük gürültü, yüksek hız), ve LTC6268 (yüksek hız, düşük yan akım).

Geri bildirim Diyalog ve Capacitor Değerleri

0.1GÜSÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ

Gelişmiş TIA Konsülleri

Çok yüksek hızlı fotodiode algılama (örneğin, 1 Gbps optik bağlantıları), basit bir tek uçlu TIA tasarımları, Maxim Cihazları gibi iki af-amp kullanarak ortak mod gürültüsünü ve iki farklı sinyal hızı kullanır. Başka bir yaklaşım, fotoğrafçıklama modunda daha yüksek gürültüyü azaltmak için bir yansayıcıya eklenebilir. Tümleşik TIA devrelerini Maxim Cihazların tümleşik, analog cihazlar veya Texas Instruments gibi tümleşik, belirli veri oranları için optimize edilmiş bir çözüm sunar.

Pratik Tasarım Örnekleri

Orta bir ışık sensöründe kullanılan düşük boyutlu optik alıcı için bir tasarım düşünün. fotodiode (e.g., a BPW21R), 550 nm'de 0.6 A/W'nin hassasiyeti ve 0 V önyargısı ile bir şarj cihazı var. beklenen maksimum fotoğrafta 1 μA (p> optik güç).

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.

[FONT=0)Amp 2: Op-Amp[[DÜT:1) = 5.5 MHz) Düşük zamanlı JFET amp (I) = 2 pA, GBW = 5.5 MHz) Bu kazanç seviyesi için kabul edilebilir.

[FONT=0)Adım: 3 Geri bildirim Capacitor[DÜT:1) = C)|= Fotoğraf (70 pF) + af giriş kapasitesi (4 pF) + × 5.5 mm) ⁇ ⁇ s. = × 3 × ss.3 × s.

[FONT=0)Adım: Performansı[Dönetici:0) = 1 / (2+) × R × C[FLT: 7f[FLT: 3 dB) = 1 / (2+) × 3 MULLT: 3 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Bu tasarım, DC ışık ölçümü için uygun bir stabil, düşük çözünürlükte TIA verir. Daha yüksek hız için R)f) azaltır ve daha düşük kapasiteli bir fotodiode kullanın.

Simülasyon ve Test İpuçları

Bir prototip inşa etmeden önce, TIA devresini, C) ayrıntılı bir SPICE modelini kullanarak simülasyon ve fotodiode (kapı ve shunt direniş dahil) test edin, kapalı frekans yanıtını üst düzey müdahale için kullanın. Düşük dalga ile temiz bir güç tedarikini kullanın.).

Dış Kaynaklar

Daha fazla okuma için, bu yazara dayalı başvuru notlarına başvurun:

  • [0]Texas Instruments: "Transimpedance Amplifier Design" (SBOA527)[Dönem: 1)
  • [[Döneticiler:0)Analog Cihazları: "Fotoğraflar için Amplifier").
  • [0]Maxim Entegre: "High-Speed Photodiode Circuit Design" (App Not 524)).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Fotodiode sinyal algılaması için transimpedans yükselticisi tasarlayın, ölçümleme, gürültü ve kararlılık dikkatli bileşen seçimi ve tazminat yoluyla.Fotoğrafın özelliklerini anlamakla, op-amp'ın sınırlamalarını ve geri bildirim ağ değerlerinin etkisini anlamak için mühendisler hem düşük ışık DC ölçümler hem de yüksek hızlı iletişim için güvenilir devreler oluşturabilir. Simülasyon ve prototyping performans için temel adımlar kalır ve tasarıma özel olarak doğrulanır.