Вступ до підсилювачів перенапруження для виявлення фотодіоду

Трансимпедансний підсилювач (TIA) є фундаментальним блоком побудови для перетворення невеликого поточного виходу фотодіоду в використовується сигнал напруги. Цей контур дозволяє точний вимір оптичної потужності в додатках, починаючи від волоконно-оптичних зв'язків і LIDAR до біомедичних датчиків і промислових світлових бар'єрів. TIA повинна балансувати посилення, пропускна здатність, шум і стійкість до вірно відтворювати виявлені сигнал. Ця стаття забезпечує поглиблений посібник для проектування надійного ланцюга TIA для виявлення сигналів, покриття теоретичних основ, вибір компонентів, практичні дизайнерські кроки і передові міркування.

Фотодіодний бахавіор і перетворення струму в до-Voltage

Фотодіоди генерують струм пропорційно інтенсивності потоку світла. На фотопровідний режим (з зворотним боком), фотодіод пропонує більш швидке реагування і нижню ємність, при цьому на фотоелектричному режимі (нульки) він мінімує темний струм. Фотопоточний зазвичай коливається від наноамперів до міліамперів. Стандартний підсилювач напруги не може безпосередньо обробляти цей струм виходу; замість того, підсилювач трансимпедансу використовує фотодіодний струм як вхід і виробляє вихідну напругу ] = I f[F[F4[F4[F4]

Основи відбору проб трансимпедансу

Операційний підсилювач, налаштований з резистором зворотного зв'язку (R f]) з виходу на вхід з інвертуванням, з фотодіодом, підключеним між вхідним вхідом і грунтом (або напругою бобів), утворює базову ТЮ. Неперевершення введення зазвичай заземлюється або зміщений. Високий відкритий нагнітач op-amp змушує інвертуючий вхід, щоб бути на віртуальному грунті, тому всі фотопоточні витрати через Rf, що виробляє вихідну напругу. Також практичний зворотний контактор встановлює трансмісні конструкції[C4[C4[C4]

Параметри продуктивності ключа

Відповідність та частотна реакція

LT-накопичувачі, що мають значення для збільшення швидкості та швидкості доступу до даних, є одним із основних компонентів, які мають бути використані для використання файлів, що містяться в інших країнах.

Аналіз шуму

Безшумні джерела в ТЗД включають тепловий шум від Rf, ударний шум з фотодіоду темний струм і сигнал струму, а напруга op-amp і струм шуму. Загальний вихідний шум є кореневим-літом-квадром цих внесків. Репортажний опір резистента теплового шуму домінує на низьких частотах, але може бути зменшено за допомогою меншого опору (вартість нижнього приходу). Опамп напруги шуму посилюється приріст шуму (1 + Cin/C[FLT5][FLE4[FET]

Стимуляція сумісності

[LT1F] [FLT] [FLT] ] ]] ] ] ]] ]] F:1FLT] F:1F:1F[F:1F:1F[F:4][F:4[F:4][F:4[F:4][F:5[F:4][F:4[F:4][F:4][F:4][F:4[F:4][F:4[F:][F:4][F:4F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:][F:]

Вибір компонентів

Вибір Op-Amp

Вибір правого оперативного підсилювача є критичним. Ключові характеристики включають:

  • Вхідний струм: повинен бути набагато меншим, ніж мінімальний фотоструктор, щоб уникнути помилок зміщення. JFET або CMOS вхідні стадії пропонують femtoampere bias струми.
  • Гайін-width продукт: повинен бути принаймні 10 разів бажаний трафік TIA для стабільної роботи.
  • Вхідний ємніс: Низький вхідний ємніс зменшує загальний C в і покращує пропускну здатність.
  • Вольфтаж і поточний шум: Низькі шумоподібні щільності (наприклад, 1,2 nV / √Hz і 1 fA / √Hz) мінімізація шуму виходу.
  • Slew rate: Навчений для максимального виходу гойдалки при необхідному частоті.

Популярні проти-пампи для TIA конструкції включають OPA847 (ультра-низький шум, широкий пояс), OPA656 (вхід JFET), ADA4817 (низький шум, висока швидкість), LTC6268 (висока швидкість, низький струм відключення).

Резистор зворотного зв'язку та значення конденсатора

[LT1] ] ] f] = V]out,max / IFLT:7]FLT:8 ] FLT] F:1] [[FLT] [[FLT] [[F:4[FLT] [FLT] [[FLT] [[F:4[FLT] [F:4[FLT] [F:4[FLT] [FLT] [F:4[FLT] [FLT] [L:4] [[FLT] [[FLT] [L:4[F:4] [L:4]

Розширені налаштування TIA

Для дуже швидкісного фотодіодного виявлення (наприклад, 1 Гбітс оптичних посилань), простий однокінцевий TIA може не дурні. Диференціальні TIA конструкції використовують два протипампи, щоб відхилити загальний шум і подвійний сигнал гойдалки. Інший підхід використовує регульований код (RGC) топології для зменшення ефективного введення імпульсу, поліпшення пропускної здатності за рахунок більшого шуму. інтегровані схеми TIA від виробників, як Максим інтегрований, Аналогові пристрої, або Texas Instruments пропонують оптимізовані рішення для конкретних показників даних. Крім того, фотодіод може бути підключений в фотопровідний режим з роздільною напругою частотою частотою

Приклад практичного дизайну

Розглянемо дизайн для низько-незимного оптичного ресивера, який використовується в амбіентному датчикі світла. Фотодіод (наприклад, BPW21R) має чутливість 0,6 A/W при 550 нм і припадок 70 pF в 0 V-біас. Очікуваний максимальний фотопоточний - 1 мкА (кореспондент до 1.67 мкВт оптичної потужності). Бажаний вихідний потік - 3 В для інтерфейсу з мікроконтролером ADC.

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: Виберіть Оп-Amp
A низько-впливно-струмовий JFET op-пам, таких як OPA145 (Ib] = 2 pA, GBW = 5.5 МГц) підходить. Його шум напруги (7 nV / √Hz) і поточний шум (0.8 fA / √Hz) прийнятний для цього рівня набуту.

Step 3: Розрахунок зворотного зв'язку конденсатор

]Total вхідний ємн C // = фотодіодна ємність (70 pF) + op-amp вхідний ємн (4 pF) + промені (5 pF) = 79 pF. Використання правила: Cf = √(79 pF / (2π × 3 MΩ 0.82 / 6,7 МГц) ≈(79-12]

Step 4: Verify Performance
Симулятор з SPICE: закритий-loop -3 dB смуга буде приблизно f-3dB] = 1 / (2π × Rf × Cff]]) = 1 / (2π × 3 MΩ × 1 pF) ≈ 53 кГц, що є достатнім. Вихідний інтегратор від 0,1 МХз до 1

Цей дизайн дає стабільний, низько-незмінний TIA, підходить для вимірювання освітлення DC. Для більш високої швидкості, зменшення Rf] і використання фотодіоду нижньої ємності.

Поради щодо моделювання та тестування

Перед створенням прототипу, імітувати схему TIA за допомогою докладної моделі SPICE обраної op-amp і фотодіоду (включаючи ємність і стійкість до фігур). Вивчити замкнену частоту відповіді на пікінг (вказує недостатній фазі маржі) і регулювати Cf] відповідно. Заміряйте вихідний шум з вхідним відкритим або з резистором. Під час фізичного тестування використовуйте щитоподібний корпус, щоб мінімізувати зовнішній перешкод. Використовуйте чистий блок живлення з низьким рифом. Чутність перенапружного підсилювача для шуму означає, що правильне планування друкованих плат, мінімальні точки, що заземні сліди, необхідні

Зовнішні ресурси

Для подальшого читання консультуйте з цими авторськими нотами:

Висновок

Розробка підсилювача трансимпедансу для виявлення сигналів фотодіоду вимагає балансування, пропускної здатності, шуму і стабільності через ретельний вибір компонентів і компенсацію. З розумінням характеристик фотодіоду, обмеження на op-amp, а також вплив значень мережі зворотнього зв'язку, інженери можуть створювати надійні схеми для обох низьколегальних вимірювань DC і високошвидкісних оптичних зв'язків. Моделювання і прототипування залишаються важливими кроками для перевірки продуктивності і забезпечення дизайну відповідає вимогам додатків.