Bootstrapped Transimpedance Amplifier (TIA) – Hochfrequenzinstabilität

Ich habe einen Transimpedanzverstärker konstruiert, in der Hoffnung, mit der FGA21-Fotodiode, dem OPA657-Operationsverstärker und dem 2N2369-Transistor sowohl eine Leistung mit hoher Verstärkung (5 kΩ) als auch mit hoher Bandbreite (50 MHz) zu erreichen. Zu den wichtigsten Spezifikationen gehören:

  • Bandbreitenprodukt gewinnen: GBW = 1,6 GHz
  • Fotodiodenkapazität: Cd > 100pF

Um die Verstärkerbandbreite zu erweitern, habe ich die Bootstrap-Architektur implementiert, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:Bootstrapped-TIA-Schaltungslayout

Hier wird die Fotodiode durch das Ersatzschaltbild ersetzt. Diese Schaltung wurde konstruiert und um einen stabilen Betrieb zu bestätigen, wurde eine Messung des Spannungsrauschens aufgezeichnet:

Ausgangsspannungsrauschen

Dies zeigt ein helles Rauschmerkmal bei 50 MHz, was problematisch ist, da es nahe dem für unsere Anwendung interessierenden Frequenzband liegt. Um dieses Verhalten weiter zu untersuchen, wurde der Detektorausgang auf einem Oszilloskop gemessen und ein sauberer +120-mV-DC-Ausgang beobachtet, der mit dem vom Transistor bereitgestellten Basisstrom übereinstimmt. Wenn die Fotodiode beleuchtet wird, beginnt der Ausgang wie erwartet von einem invertierenden Verstärker abzunehmen, wenn er sich jedoch 0 V nähert, beginnt der Ausgang dramatisch zu oszillieren (+-500 mV Amplitude) bei der Resonanzfrequenz von 50 MHz. Dies deutet darauf hin, dass diese Resonanzfunktion angeregt wird.

Meine einzigen Erklärungen sind die folgenden:

  • Der Transistor 2N2369 ist nicht schnell genug, um Stabilität bei 50 MHz zu gewährleisten
  • Und/oder wenn die Fotodiode leuchtet, wirkt der Fotodiodenstrom dem Basisstrom entgegen und schaltet den Transistor ab, wenn er einen geeigneten Pegel erreicht, was die Verstärkung bei 50 MHz noch weiter reduziert und dramatische Oszillationen verursacht.

Ich bin jedoch von keiner dieser Antworten überzeugt, da das SPICE-Modell dieser Schaltung keine Resonanzen bei diesen Frequenzen vorhersagt. Alle Ideen zur Ursache/Lösung dieser Probleme wären sehr willkommen.

(EDIT: Bitte finden Sie das Board-Layout unten als Referenz)Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Haben Sie versucht, Cf zu erhöhen, um die Stabilität zu verbessern? Die Stabilität hängt stark von der Gesamtkapazität gegen Masse am Eingang ab. Wenn Ihre tatsächliche Eingangskapazität höher ist als in Simulationen (z. B. weil die Bootstrap-Schaltung nicht perfekt funktioniert, Layoutprobleme usw.), kann dies zu Instabilität führen.
Danke für deinen Vorschlag, Sven, ich habe nicht versucht, den Rückkopplungskondensator über 1 pF hinaus zu erhöhen. Basierend auf einigen meiner früheren Arbeiten mit den Standard-TIA-Konfigurationen (dh ohne Bootstrap) mit derselben Fotodiode und demselben Operationsverstärker liegen die Rauschspitzen tendenziell bei ~ 10 MHz, wenn der Verstärker nicht richtig kompensiert wird. Ich könnte versuchen, Cf weiter zu erhöhen, um die Auswirkung auf die 50-MHz-Spitze zu untersuchen, aber ich befürchte, dass dies meine Bandbreite nur weiter einschränkt und die potenziellen Verbesserungen der Bootstrap-Konfiguration zunichte macht.
Ich habe gelesen, dass Sie 50 MHz anvisieren. Das ist ca. B W ≈ 1 2 π R F C F wenn Ihre Open-Loop-Verstärkung hoch genug ist. Deins liegt also bei etwa 32 GHz. Sie können erhöhen C F bis 636pF für eine Bandbreite von 50MHz.
Hallo Sven, ich glaube du hast dich verrechnet, das ergibt eine Bandbreite von 50kHz statt 50MHz.
Ja, du hast Recht, mein Fehler. Ich habe 1pF=1e-15F verwendet, aber das ist offensichtlich falsch. Ich sollte davon absehen, zu posten, wenn ich gerade aufgewacht bin ;-)

Antworten (2)

Ich bin nicht zu 100% davon überzeugt, dass der OPA657 großartige Ergebnisse erzielen kann, wenn er wie Sie mit einer Bootstrap-Schaltung betrieben wird. Der Bootstrap erfüllt eine primäre Funktion, nämlich die TIA-Schaltung zu "überzeugen", dass die Eigenkapazität der Fotodiode viel kleiner ist.

Eine kleinere Fotodiodenkapazität bedeutet, dass die Rauschverstärkung erheblich reduziert wird, und Sie können es sich "leisten", den Rückkopplungskondensator zu reduzieren, um mehr Bandbreite zu erhalten. Der OPA657 wird jedoch intern für Verstärkungen von zehn kompensiert, und das bedeutet, dass er bei Verstärkungen nahe Eins instabil werden oder Anzeichen von übermäßigem Rauschen zeigen könnte. Beachten Sie diesen Abschnitt des Datenblatts: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dies gilt für eine herkömmliche TIA ohne Bootstrap, und obwohl Sie vielleicht denken, dass es sich um einen Einheitsgewinn handelt, ist dies nicht der Fall. Die "wahre" Verstärkung bei hohen Frequenzen beträgt ungefähr 49 pF / 0,55 pF = 90. Ich spreche hier nicht von Vo/Iin - ich spreche von Rauschverstärkung und die Rauschverstärkung beträgt etwa 90 bei hohen Frequenzen. Dies wird jedoch durch die Open-Loop-Verstärkungskennlinie auf etwa 8 festgesetzt (siehe Abbildung 9.2.3).

Mit anderen Worten, es hat einen Gewinn von ungefähr zehn, dh dem Punkt, für den die interne Kompensation optimiert ist.

Unterm Strich weise ich darauf hin und sage, dass dieser Operationsverstärker nicht für den Einsatz als Bootstrap-TIA geeignet ist, aber es könnte andere Gründe geben, wie z. B. schlechte Entkopplung auf den Versorgungsschienen, schlechtes Leiterplattenlayout usw.

Vielen Dank für deine ausführliche Antwort, Andy, das hatte ich beim Entwurf dieser Schaltung definitiv nicht berücksichtigt. Ich kann versuchen, den LMH6624 anstelle des OPA657 zu verwenden, er hat ein ähnliches GBW und ein Blick auf das Datenblatt scheint nicht intern kompensiert zu sein. Ich habe auch ein Bild des PCB-Layouts in den Hauptpost eingefügt, ich habe versucht, viele der vorgeschlagenen Designtechniken zu befolgen, die ich online gefunden habe, aber es gibt wahrscheinlich Bereiche, die ich verbessern kann!
Hallo Andy, nachdem ich den OPA657 gegen den LMH6624 ausgetauscht habe, sehe ich eine viel bessere Rauschleistung, es gibt immer noch eine leichte Spitze bei 50 MHz, aber sie dominiert nicht mehr das Spektrum und die Ausgabe ist jetzt über ihren gesamten Dynamikbereich stabil. Danke nochmal für deine Hilfe.
@J-Pease Es ist wahrscheinlich Glück, dass der LMH besser funktioniert - wenn Sie sich den DS ansehen, steht auf Seite 1 stabil für Gewinne> 10, also seien Sie sich bitte bewusst, dass Sie wahrscheinlich Probleme damit erwarten können. Dieser Fotodioden-Assistent von ADI kann für Sie nützlich sein, auch wenn es nur um die Auswahl eines besseren/zuverlässigeren Operationsverstärkers geht. Ich würde auch ein Simulationstool verwenden, um schnell festzustellen, ob Operationsverstärker A oder B besser sind. Schauen Sie auch nach, wenn Sie einen JFET als Bootstrap-Gerät verwenden - BF862 fällt mir ein.
Hallo Andy, welche Vorteile hätte die Verwendung des JFET anstelle eines Standard-BJT-Transistors im Bootstrap? Ich habe in der Literatur nachgesehen und einige Bootstrap-Verstärker haben den BF862 verwendet, aber sie liefern keine Gründe, warum dieses Gerät ausgewählt wurde.
@J-Pease Hochfrequenzbetrieb kann von Vorteil sein, und wenn Sie Gleichstromgenauigkeit benötigen, benötigt der JFET sicherlich keinen Vorspannungsstrom.

Eine, äh, Basis, die Sie vielleicht abdecken müssen: Es ist überraschend einfach, einen zufälligen Colpitt-Oszillator mit einem Allzweck-NPN-Transistor zu bauen.

Das übliche Heilmittel dafür ist ein "Basisstopper" -Widerstand - ein kleinerer Widerstand (beginnen Sie mit 100R und reduzieren Sie ihn, wenn Sie können) unmittelbar in Reihe mit der Basis (so nahe wie physikalisch möglich, um die kapazitive Kopplung in die Basis zu minimieren).

Da der Basisstrom niedrig ist, sollte dies einen minimalen Einfluss auf erwünschte Signale haben.

Danke für den sehr hilfreichen Vorschlag, Brian, ich hatte Bedenken, dass parasitäre Prozesse die Ursache dafür sein könnten, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass diese Funktion eine so hohe Frequenz hat und ziemlich hoch ist. Denken Sie daran, dass es oft schwierig ist festzustellen, wo diese parasitären Prozesse entstehen. Ich werde einen kleinen Widerstand einlöten und ein Update bereitstellen, wenn dies die Ursache meines Problems ist.
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