Amplificador de transimpedancia Diseño de PCB

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Estoy tratando de reemplazar una combinación de amplificador de voltaje externo + placa de fotodiodo de avalancha que sufre de captación de RF debido al cableado entre el diodo y el amplificador, así como un bajo ancho de banda debido a la terminación de 50 ohmios con una única placa que tiene diodo en un lado (detrás de un sistema óptico) y el amplificador y la electrónica detrás / alrededor del diodo. Al colocarlos cerca, creo que debería poder reducir en gran medida la capacitancia del cable y la captación de RF. He diseñado un amplificador de transimpedancia simple mirando algunos diseños de referencia de TIA que las personas han usado para diodos similares y luego leen los manuales de TI:

Elamplificadortomaundiododefuentede350pFyproporcionaunatransresistenciade750ohmios.Elanchodebandaobjetivoesde50MHz,yyousoelOPA847conunproductode3,9GHzGBW.ElmanualdeTIdaunacapacidadderealimentaciónde6.2pfparaestaconfiguración.Enelladoderechodelesquemahayundiodo(enestecasodibujadocomoBJTporqueelpinoutcoincideconunmodelodeinventarioenAltium)yalgunoscondensadoresdefiltradoenlapolarización(provistosentrelospines1y2).Lospines3,4y5enelconectorJ1proporcionanlos+/-5yGNDrequeridosporelTIA.Utilicépiezasmásgrandesde1206SMDporqueesperabaresolveralrededordeloserroresyporquelacapacidaddelafuenteyaesgrandeyelanchodebandarelativamentebajo.

EstossonlosdiseñosquesemeocurrieronenelFR4conunPCBde2"y 1" de diámetro. Lado frontal (diodo) con el espacio muerto relleno y conectado a tierra (izquierda) y omitido para mayor claridad (derecha):

Ladoposterior(opamp/conector):

NuncahediseñadoalgoconunanchodebandademásdeunospocosMHz,asíquetengoalgunaspreguntas:

  1. ¿DeberíaestarusandobasesseparadasparaloscircuitosOpampyBias?Debatícortareláreaalrededordelcircuitodepolarizacióndealtovoltaje(C3,C4,R5,etiquetadocomo"diodo de polarización") para aislarlo del amplificador, pero no tengo idea si esto es importante o es una buena idea. En este momento se proporcionan cables a tierra separados, pero los cortocircuitaría externamente a la placa. Usaré una fuente de alimentación externa de ruido ultrabajo para conducir el diodo de avalancha a través de los pines 1 + 2 del conector a aproximadamente 50v. Editar: la respuesta fue SÍ.

  2. ¿Qué tan malo es mi diseño y cómo puedo mejorarlo? Me preocupa que tuve que encaminar la salida del amplificador en el espacio entre los terminales del condensador del filtro en el condensador C1 (voltaje de suministro positivo del amplificador, caja verde). ¿Es esa una idea tan mala como parece? El tamaño estaba muy limitado por el diámetro del sistema óptico en el que encaja, pero podría usar piezas más pequeñas 0805 o 0603 si fuera necesario.

  3. Los condensadores de desacoplamiento en el OPA847 se copiaron de otro diseño con este opamp. Parece que funcionan, pero estoy abierto a sugerencias si no son correctas.

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Diseño revisado con los planos de tierra fusionados. Esto simplifica enormemente el enrutamiento.

    
pregunta user1850479

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Han pasado unos meses e hice otra iteración del diseño. Según lo que aprendí, pensé que respondería algunas de mis propias preguntas en caso de que fueran útiles para otras personas.

  

¿Qué tan malo es mi diseño y cómo puedo mejorarlo?

Mi diseño tuvo algunos problemas.

Primero, 1206 resistencias / tapas son ridículamente grandes. Terminé usando los 0603 y aunque no eran lo más fácil de soldar, incluso con un medio de hierro roto y una soldadura sin plomo, no era tan malo hacer unos pocos a mano. El tamaño más pequeño hizo que todo el diseño fuera mucho, mucho más limpio, y aunque no creo que el rendimiento de RF estuviera necesariamente limitado por el paquete 1206, no me dolió mejorarlo. Creo que la mejor disposición ayudó mucho, encontré que el diseño revisado funcionó mejor y necesitaba menos capacidad de retroalimentación.

En segundo lugar, ignoré por completo el consejo estándar de que no ejecutas un plano de tierra bajo un campo de acción debido a la capacidad agregada. No importó en este caso porque la capacitancia del diodo era ~ 500x más grande, pero aún tenía un diseño descuidado.

Tercero, coloco la resistencia de terminación de 50 ohmios muy cerca del terminal SMB de 50 ohmios, pero más lejos del opamp. En estas frecuencias, no es necesario estar solo a unos pocos milímetros del conector SMB, mientras que colocar la resistencia más lejos de la red de realimentación amplía efectivamente la cobertura de la red de realimentación, agregando tanto capacitancia como una mayor posibilidad de captación de ruido. Cambiar a 0603 partes y mover el terminador de 50 ohmios contra el opamp me permitió limpiar realmente el diseño de la red de retroalimentación y obtener su área en un mínimo absoluto.

Por último, un punto muy pequeño, coloco piezas SMD bajo el diodo de avalancha. Esto funcionó bien, pero debería haber sido más cuidadoso porque la cubierta del diodo está conectada a tierra, lo que presenta el riesgo de cortocircuitos si las piezas tienen metal expuesto (por ejemplo, tapas más altas). Probablemente no debería haber puesto nada más que el opamp (muy delgado) debajo del diodo, ya que eso habría minimizado la altura del diodo y, por lo tanto, la inductancia de sus conductores.

  

Los condensadores de desacoplamiento en el OPA847 fueron copiados de otro diseño con este opamp. Parecen funcionar, pero estoy abierto a sugerencias si no son correctas.

Aunque no hubo una gran diferencia posiblemente debido a la fuente de alimentación de alta calidad que estaba usando, también debería haber algunas tapas más grandes (~ 5uF) para el rechazo de baja frecuencia en algún lugar del tablero.

De todos modos, este fue un ejercicio interesante. Espero que lo que aprendí sea útil para otras personas.

    
respondido por el user1850479

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