光二极管检测跨模放大仪介绍

转录放大器(TIA)是将光二极管的微小电流输出转换成可用电压信号的基本构件。 这个电路可以精确测量光学功率,从光纤通信和LIDAR到生物医学传感器和工业光屏障。 TIA必须平衡增益、带宽、噪音和稳定性,才能忠实地复制检测到的信号。 本条为设计一个强大的光二极管信号检测TIA电路提供了深入的指导,涵盖了理论基础、组件选择、实用设计步骤和先进的考虑。

光电二极管行为和电流到伏电转换

光电波电流产生与事件光强度成比例的电流. 在光导模式(带有反偏差)中,光电波电流提供更快的响应和较低的电容,而在光电模式(零偏差)中则能最小化暗电流. 光电流一般从纳米电流到毫叶电流. 标准电压放大器不能直接处理这种电流输出;相反,转导电流放大器使用光电流作为输入,并产生输出电压[v out ph → R ,其中Rf 是反馈阻电流,这种关系是TIA设计的核心.

跨度放大法基本原理

操作放大器配置了一个反馈阻塞器(Rf),从输出到倒置输入,反向输入与地面(或偏移电压)之间连接的光电二极管构成基本TIA. 非倒置输入一般是固定或偏移的. Op-amp的高开阔的输入法使反向输入法在虚拟地面上产生,因此所有光流通过Rf],产生输出电压. 反馈阻器单设了转动收益,但实际设计还必须包括一个反馈电容(Cf],与控制稳定性和频率响应并行.

关键性能参数

带宽和频率反应

TIA带宽受Op-amp的增益带宽产品(GBW)和反向节点的总输入电容(光电+Op-amp输入电容+寄生电容)的限制,主电杆由Rf]和总电容设定,导致一个开放-loop带宽大约]fp=1/(2 ⁇ ×R]fto[FLT]][S]]].. 实现更高的电容带,必须减少Rf(其收益较低)或选择一个带更高GBW和较低输入电容的带电容的波段,用于高速光电极探测(e.e.gamp-100MHz或更高电流后电容),

噪音分析

TIA中的噪声源包括来自Rf的热噪声,来自光二极深电流和信号电流的射噪声,以及Op-amp的电压和电流噪音,总输出噪声是这些贡献的根-和-平方. 反馈阻电器的热噪声在低频率中占主导地位,但可以通过使用较低的阻电(以较低的收益成本)来降低. Op-amp电压噪声在高频率下通过噪音增益(1+Cin /Cf]放大. 尽量减少噪声的常见策略是选择低噪声的JFET-input opt-amp,且电流的偏差非常低(如OPA656,A4625),并优化了用于噪声塑造的反馈网络.

稳定补偿

无需补偿, TIA 就可以由于输入连接和 Op-amp 内部连接引入的相位移而扭曲。 添加一个反馈连接器 C[[[FLT: phil] f [FLT: 1] 平行与 R[[FLT: 2] f [FLT: 3] 引入一个取消柱的零, 改进相位边距 。 选择的最佳值通常是为了使零频率等于极点的几何平均值和 Op-amp 的团结- 相位带宽 。 通用的缩略: FLT: 4] C[FLT: philm: phine comp [FLT: e- 50 F= 相位边距 compf] [F: compended SP[F: 10-GBW] [F: 11] 。例如, 使用 C[FLT: 12 = 10 10 o , 10 组合 , 10 PF, 10 FF , 4 和 组合 10 。

组件选择

选择 Op- mp 选项

选择正确的操作放大器至关重要。

  • 输入偏差电流: 必须是比最小光流小得多,以避免抵消错误. JFET或CMOS输入级提供femtoampere偏差电流.
  • Gain-bandwidth产品:[]至少应该为理想的TIA带宽的10倍,以便稳定运行.
  • 输入电容:[] 低输入电容减少在中的总C,并改进带宽.
  • 伏特和流噪声: 低噪声密度(如1.2nV/ ⁇ Hz和1fA/ ⁇ Hz)最小化输出噪声.
  • 滑速率: 足以达到在所需频率下的最大输出摇摆.

TIA设计的流行的op-amp包括OPA847(超低噪声,宽带),OPA656(JFET输入),ADA4817(低噪声,高速),以及LTC6268(高速,低偏差电流).

反射器和电容值

反馈阻断器 R[[[FLT:cap] f 是由所需的转折增益]确定 f = V[[FLT:cap]out,max [[FLT:cap]/ I[FLT:cap] [FLT:cap] [FLT:cep]. 高值提供了更大的输出但限度并增加了噪音。 在高速设计中,[FLT: complyplyplyple: unity f [FLT: 11] 的转折增益通常在1 kLight应用中,[FLT:caplyp] 13 或更多,但可降低到几个kHz以下。 反馈 [FLT:[FLT:F: 校f] [F: 16 的转折合 。 使用 20F 组合制合 的 。

高级 TIA 配置

对于高速光二极管检测(如1Gbps光学链接),简单的单限TIA可能是不够的. Difficial TIA设计使用两个op-amp来拒绝常见的模态噪声,并加倍的信号摇摆. 另一种方法使用受调控的coscode(RGC)地形来减少有效的输入阻力,在牺牲更高噪音的情况下改进带宽. Maxim Integrated, Analog Devices等制造商的集成TIA电路为特定数据速率提供了优化的解决方案. 此外,光二极管在光导模式中可能会带有偏差,具有单独的偏差电压,以减少其交联电容,提高高频响应.

实用设计示例

考虑设计一个环境光感应器使用的低噪声光学接收器. 光二极管(如BPW21R)的灵敏度为0.6 A/W,在550nm,在0V偏移时电容为70pF,预期最大光流为1μA(对应1.67 μW光学功率). 期望输出电压的摇摆是3V,与微控制器ADC接口.

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.

步骤2:选择Op-Amp
]]低斜流JFET的操作标注,如OPA145(Ib]=2 pA,GBW=5.5 MHz)是合适的,其电压噪声(7nV/ ⁇ Hz)和电流噪声(0.8 fA/ ⁇ Hz)对于这一增益级是可以接受的.

3: 相交电源 相交电源
相交电源] = 光二极电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源电源

附加FLT: complete]Step 4: 附加性能 [[FLT: 1] 附加FLT: 2] 与 SP 相仿: 封闭- 锁定-3 dB 带宽将大约为 f-3dB ] = 1/ 2 附加 r[[FLT: 5] f [FLT: 预 → C[FLT: 预 ] f [FLT: 预 ]= 1/ 2 附加 MLT: + 1 pF 附加 = 53 kHz, 适配 适配 。 从 Hz 到 53 kHz 的成份内含噪音应低于 1 mVRMS 。 TIA 之后的外部低通滤器可以进一步减少高噪量 。

这种设计产生一种稳定,低噪的TIA,适合DC光度测量. 对于更高的速度,降低Rf,并使用较低的电容光二极管.

模拟和测试提示

在建造原型之前,使用所选的OP-amp和光二极管(包括电容和避电阻)的详细SPICE模型模拟TIA电路。检查闭路频率的响应,以便达到峰值(表明相距差不足),并相应调整C[f]。用打开的输入器或假电阻器测量输出噪音。在物理测试中,使用屏蔽的闭路装置,以尽量减少外部干扰。使用低波纹的清洁电源。转流放大器对噪音的敏感度意味着适当的PCB布局——短的痕迹、反向节点下的地面平面和最小的寄生电容——是至关重要的。

外部资源

欲进一步阅读,请参考这些权威应用说明:

结论

设计光二极管信号检测的转录放大器需要通过仔细的组件选择和补偿来平衡增益,带宽,噪音和稳定性. 通过了解光二极管的特性,op-amp的局限性,以及反馈网络值的影响,工程师可以为低光DC测量和高速光学通信创建可靠的电路. 模拟和原型仍然是验证性能和确保设计满足应用特定要求的关键步骤.