amplificador de transimpedancia de bajo ruido (TIA): ¿por qué la adición de un condensador de realimentación provoca un pico de ruido de voltaje?

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Estoy trabajando en un amplificador de transimpedancia de bajo ruido (TIA) para la detección de señales ópticas débiles. El objetivo es lograr un ancho de banda de 10MHz con un piso de ruido de voltaje blanco de 10-20nV / rtHz. Estoy utilizando el fotodiodo FGA21 y el amplificador operacional OPA847 con un resistor de realimentación de 10kohm que funciona en modo fotoconductor.

Las especificaciones clave incluyen:

  • Producto de ganancia de ancho de banda: GBW = 3.9GHz
  • Ruido de voltaje de entrada: e_n = 0.85nV / rtHz
  • Ruido de corriente de entrada: i_n = 2.5pA / rtHz
  • capacitancia del fotodiodo: C_d = 100pF @ 3V sesgo

El diseño de la PCB siguió muchas de las técnicas de diseño sugeridas (minimizar la longitud de la pista, pasar los componentes de realimentación debajo del amplificador operacional, aislar las pistas sensibles del plano de tierra, etc.). Además, el suministro de voltaje se filtró en gran medida utilizando condensadores de desacoplamiento y se utilizó el Op-Amp OPA820 para amortiguar la salida.

Se tomaron dos espectros de ruido, uno donde se dejó abierta la capacitancia de realimentación y otro donde se ajustó a 1.5pF:

Laslíneasdiscontinuasrepresentanlascurvasderuidoteóricascorrespondientes.Claramente,elcapacitorhacequeelpicoderuidoseamplíeycambiedefrecuencia,estocontradicelateoría,loquesugierequeuncapacitorderealimentaciónamortigualagananciadetransimpedanciayreduceelruidodealtafrecuencia.

Paraprobaresto,seconstruyóuncircuitosinelfotodiodo,ensulugar,seagregóuncondensadorde100pFparaimitarlacapacitanciadelaunióndeldiodoysevolvieronatomarlasmedidasderuido:

Enestecircuito,laadicióndeuncondensadorderealimentaciónhacequeelruidodisminuyademanerasimilaracomolopredicelateoría,loquemesugierequeelmodelodefotodiodosimpledeunacapacitanciadeuniónyunafuentedecorrientepuedenosercompletamenteexacto.Sinembargo,buscandoenlaliteraturatodavíanoheencontradodiscusionessobrelaslimitacionesdeestemodelo,nihevistoningúnejemplodeestecomportamiento.

¿Entoncesmepreguntosialguienmássehaencontradoconesteproblemaantesopuedeentendercómolaadicióndeunsolocondensadorcausaunagrandisparidadentrelateoríayelexperimento?

(Disculpelafaltadediagramasdecircuitos,soyunusuarionuevoyhastaelmomentosolopuedoadjuntardosenlacesporpregunta)

Editar:AquíestáeldiseñodePCBparaelTIAconfotodiodo:

yaquíestáelesquemadelcircuito(valelapenanotarqueelfiltrodepasobajoentrelosamplificadoresoperacionalesnoseutilizó,elcapacitorsedejóabierto):

Edición 2: Observe en los diagramas de circuito anteriores que el fotodiodo no tiene polarización inversa, en todos los espectros de ruido que se muestran están soldados con la polarización correcta

    
pregunta J-Pease

4 respuestas

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No estoy seguro específicamente acerca del ruido en su circuito, pero aquí hay una guía de ayuda bastante extensa para diseñar circuitos TIA:

enlace

No puedo decir si ha anulado el plano de tierra y potencia en su traza de entrada desde el fotodiodo. Sin embargo, puede intentar lo siguiente. Coloque la tapa de entrada y la resistencia en el extremo (lápida). Suelde un cable muy fino (40AWG quizás) desde un extremo que está en el aire hasta el pin de salida del fotodiodo. Esto minimizará la capacitancia de entrada y, por lo tanto, le dará la mejor respuesta de alta frecuencia.

Otra cosa menos drástica es intentar recortar las almohadillas de Rf y Cf lo más pequeño posible, luego soldarlas en el tablero de lado. La capacitancia de entrada parásita es su enemigo en altas frecuencias, y ambas ideas están dirigidas a minimizarla. Aunque es costoso en la producción en masa, puede darle algunas ideas para mejorar el rendimiento.

Algunas otras ideas: use 0402 en lugar de 0805 o 0603. Esto también disminuirá la capacitancia de entrada.

Otra idea que también estaba en la literatura de LT fue ejecutar una traza de tierra entre los pads de su resistencia de entrada. Esto hace que la fuerza del campo llegue a 0. Honestamente, no tengo una idea clara de cómo esto ayuda, pero engloban algunas palabras en el enlace que he dado arriba.

¡Buena suerte! Debes publicar algunas capturas de pantalla de tu respuesta de frecuencia e informarnos qué hiciste, qué funcionó y qué no.

    
respondido por el Mike Barber
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Su capacitor de realimentación debe ser más de 10pF ya que la capacitancia del fotodiodo es mayor.

    
respondido por el Jayesh Parmar
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El condensador por sí mismo tendrá una impedancia mucho menor que el fotodiodo, por lo que creo que podría esperarse que el circuito sea menos estable. Parece que incluso está resonando un poco en el pico de 10MHz, por lo que es posible que necesite un condensador de realimentación mayor. Si 1.5 pF está alrededor del valor correcto, entonces usar un condensador de ajuste real podría ser conveniente para la sintonización si no aumenta la longitud de la ruta y demasiado.

Yo mismo no estoy familiarizado con la teoría, por lo que solo puedo ofrecer consejos básicos.

    
respondido por el TWiz
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En mi experiencia, parece que estás experimentando el modo de retorno de condensador. Lo que está causando que tu voltaje cree picos como el tuyo. Para solucionar este problema, recomendaría usar un condensador más grande o agregar resistencia adicional al sistema antes que el condensador.

    
respondido por el StudentJJ

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