Я работаю над малошумящим трансимпедансным усилителем (TIA) для обнаружения слабых оптических сигналов. Цель состоит в том, чтобы достичь полосы пропускания 10 МГц с минимальным уровнем шума белого напряжения 10-20 нВ / ртГц. Я использую фотодиод FGA21 и операционный усилитель OPA847 с резистором обратной связи 10 кОм, работающим в режиме фотопроводимости.
Основные характеристики включают в себя:
- Продукт полосы пропускания усиления: GBW = 3,9 ГГц
- Шум входного напряжения: e_n = 0,85 нВ / кГц
- Шумы входного тока: i_n = 2.5pA / rtHz
- емкость фотодиода: C_d = 100 пФ при смещении 3 В
Конструкция печатной платы следовала многим из предложенных методов компоновки (минимизация длины дорожек, пропускание компонентов обратной связи под операционным усилителем, изоляция чувствительных дорожек от плоскости земли и т. Д.). Кроме того, источник напряжения был сильно отфильтрован с использованием развязывающих конденсаторов, а операционный усилитель OPA820 был использован для буферизации выходного сигнала.
Были взяты два спектра шума, один, где емкость обратной связи оставалась открытой, и другой, где она была установлена на 1,5 пФ:
Пунктирные линии представляют соответствующие теоретические кривые шума. Очевидно, что конденсатор вызывает расширение пика шума и сдвиг частоты, это противоречит теории, которая предполагает, что конденсатор обратной связи ослабляет усиление трансимпеданса и уменьшает высокочастотный шум.
Чтобы проверить это далее, была построена схема без фотодиода, вместо этого был добавлен конденсатор емкостью 100 пФ для имитации емкости диодного перехода, и измерения шума были повторены:
В этой схеме добавление конденсатора обратной связи вызывает шумоподавление подобно тому, как это предсказывает теория, предлагая мне, что простая фотодиодная модель конденсаторной емкости и источника тока может быть не совсем точной. Однако, просматривая литературу, я еще не нашел дискуссий об ограничениях этой модели, и я не видел никаких примеров такого поведения.
Поэтому мне интересно, сталкивался ли кто-нибудь еще с этой проблемой раньше или может понять, как добавление одного конденсатора вызывает большое расхождение между теорией и экспериментом?
(Прошу прощения за отсутствие принципиальных схем, я новый пользователь и на данный момент могу прикрепить только две ссылки на вопрос)
Изменить: Вот макет печатной платы для TIA с фотодиодом:
и вот схема схемы (стоит отметить, что фильтр низких частот между операционными усилителями не использовался, конденсатор был оставлен разомкнутым):
Редактировать 2: Обратите внимание, что на приведенных выше схемах фотодиод не имеет обратного смещения, во всех показанных спектрах шума он припаян с правильным смещением
Ответы:
Я не совсем уверен насчет шума в вашей схеме, но вот довольно обширное руководство по раскладке схем TIA:
http://www.linear.com/solutions/5633
Я не могу сказать, обнулили ли вы землю и плоскость питания на входной трассе от фотодиода. Тем не менее, вы можете попробовать следующее. Поставьте входную крышку и резистор на конце (надгробная плита). Припой очень тонкий провод (возможно, 40AWG) от одного конца, который находится в воздухе к выводу вывода фотодиода. Это сведет к минимуму входную емкость и, таким образом, даст вам лучший высокочастотный отклик.
Еще одна менее радикальная вещь, которую стоит попробовать - это урезать прокладки Rf и Cf до минимально возможного размера, а затем припаять их на доске сбоку. Паразитная входная емкость - ваш враг на высоких частотах, и обе эти идеи направлены на то, чтобы минимизировать ее. Несмотря на высокую стоимость массового производства, он может дать вам некоторые идеи для повышения производительности.
Некоторые другие идеи - использовать 0402 вместо 0805 или 0603. Это также уменьшит входную емкость.
Другая идея, которая также была в литературе по LT, заключалась в том, чтобы провести трассу заземления между контактами вашего входного резистора. Это увеличивает напряженность поля до 0. У меня, честно говоря, нет хорошего представления о том, как это помогает, но они обернули некоторые слова в ссылку, которую я дал выше.
Удачи! Вам следует опубликовать несколько скриншотов вашей частотной характеристики и сообщить нам, что вы сделали - что сработало, а что нет.
источник
Ваш конденсатор обратной связи должен быть больше 10 пФ, так как емкость фотодиода больше.
источник
Конденсатор сам по себе будет иметь гораздо меньшее сопротивление, чем фотодиод, и поэтому я думаю, что можно ожидать, что схема будет менее стабильной. Похоже, что он даже немного резонирует на пике 10 МГц, поэтому вам может потребоваться больший конденсатор обратной связи. Если значение 1,5 пФ приблизительно соответствует нужному значению, тогда использование фактического конденсатора триммера может быть удобным для настройки, если оно не увеличивает длину пути и слишком много.
Я сам не очень хорошо знаком с теорией, поэтому могу только дать базовые советы.
источник
По моему опыту кажется, что вы испытываете режим обратного хода конденсатора. Который заставляет ваше напряжение создавать пики сосать как ваше. Чтобы решить эту проблему, я бы рекомендовал использовать конденсатор большего размера или добавить дополнительное сопротивление в систему перед конденсатором.
источник