Rauscharmer Transimpedanzverstärker (TIA) - warum verursacht das Hinzufügen eines Rückkopplungskondensators Spannungsrauschspitzen?

Ich arbeite an einem rauscharmen Transimpedanzverstärker (TIA) zur Detektion schwacher optischer Signale. Ziel ist es, eine Bandbreite von 10 MHz mit einem weißen Grundrauschen von 10–20 nV/rtHz zu erreichen. Ich verwende die FGA21-Fotodiode und den OPA847-Operationsverstärker mit einem 10-kOhm-Rückkopplungswiderstand, der im fotoleitenden Modus arbeitet.

Zu den wichtigsten Spezifikationen gehören:

  • Bandbreitenprodukt gewinnen: GBW = 3,9 GHz
  • Eingangsspannungsrauschen: e_n = 0,85 nV/rtHz
  • Eingangsstromrauschen: i_n = 2,5 pA/rtHz
  • Fotodiodenkapazität: C_d = 100 pF bei 3 V Vorspannung

Das PCB-Design folgte vielen der vorgeschlagenen Layouttechniken (Minimierung der Leiterbahnlänge, Durchleiten von Rückkopplungskomponenten unter dem Operationsverstärker, Isolieren empfindlicher Leiterbahnen von der Masseebene usw.). Zusätzlich wurde die Spannungsversorgung mit Entkopplungskondensatoren stark gefiltert und der OPA820 Operationsverstärker wurde verwendet, um den Ausgang zu puffern.

Es wurden zwei Rauschspektren aufgenommen, eines, bei dem die Rückkopplungskapazität offen gelassen wurde, und eines, bei dem sie auf 1,5 pF eingestellt war:TIA-Rauschen

Die gestrichelten Linien repräsentieren die entsprechenden theoretischen Rauschkurven. Der Kondensator bewirkt eindeutig, dass sich die Rauschspitzen verbreitern und in der Frequenz verschieben, was der Theorie widerspricht, die darauf hindeutet, dass ein Rückkopplungskondensator die Transimpedanzverstärkung dämpft und das Hochfrequenzrauschen reduziert.

Um dies weiter zu testen, wurde eine Schaltung ohne die Fotodiode aufgebaut, stattdessen wurde ein 100-pF-Kondensator hinzugefügt, um die Kapazität des Diodenübergangs nachzuahmen, und die Rauschmessungen wurden erneut durchgeführt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

In dieser Schaltung bewirkt das Hinzufügen eines Rückkopplungskondensators, dass das Rauschen ähnlich gedämpft wird, wie es die Theorie vorhersagt, was für mich darauf hindeutet, dass das einfache Fotodiodenmodell einer Sperrschichtkapazität und einer Stromquelle möglicherweise nicht ganz genau ist. Beim Durchsuchen der Literatur habe ich jedoch noch keine Diskussionen über die Einschränkungen dieses Modells gefunden, noch habe ich irgendwelche Beispiele für dieses Verhalten gesehen.

Ich frage mich also, ob jemand anderes schon einmal auf dieses Problem gestoßen ist oder verstehen kann, wie das Hinzufügen eines einzelnen Kondensators zu einer großen Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment führt.

(Bitte entschuldigen Sie die fehlenden Schaltpläne, ich bin ein neuer Benutzer und kann derzeit nur zwei Links pro Frage anhängen.)

Bearbeiten: Hier ist das PCB-Layout für die TIA mit Fotodiode:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

und hier ist der Schaltplan (es ist erwähnenswert, dass der Tiefpassfilter zwischen den Operationsverstärkern nicht verwendet wurde, der Kondensator offen gelassen wurde):Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bearbeiten 2: Beachten Sie, dass die Fotodiode in den obigen Schaltplänen nicht in Sperrrichtung vorgespannt ist. In allen gezeigten Rauschspektren ist sie mit der richtigen Vorspannung gelötet

Vielleicht können Sie einen Link eines Bildes für Ihre Schaltung hochladen. Es gibt Orte wie Tinypic , wo Sie einen Link zu Ihrem Bild erhalten können, sobald Sie es hochgeladen haben. Vielleicht kann dies helfen, das vorübergehende Problem beim Posten von Bildern zu lösen.
Befindet sich der 2. Operationsverstärker INNERHALB der Schleife des ersten Operationsverstärkers? Und ist Ihre VDD-Umgehung ... gedämpft? Verwenden Sie Rdamp = sqrt(L/C)
@analogsystemsrf Der 2. Operationsverstärker fungiert als Puffer mit Einheitsverstärkung. In meiner Analyse habe ich ihn so behandelt, als wäre er von der Schleifenverstärkung des ersten Operationsverstärkers getrennt. In Bezug auf die Spannung werden sowohl V+ als auch V- gefiltert, indem eine Ferritperle und Kondensatoren direkt von ihrem Ausgang der Stromversorgung verwendet werden, um die Stromversorgung zu begrenzen (obwohl dies wahrscheinlich überdimensioniert ist).
Warum ist Ihre Fotodiode in Vorwärtsrichtung vorgespannt? Warum unterscheiden sich die Operationsverstärker in der Schaltung von denen in Ihrem Text?
@Andy aka Das war ein ziemlich dummer Fehler, den ich nicht bemerkte, bis ich die Platine herstellte. Die Pins der Fotodiode werden in der Schaltung umgedreht, um sicherzustellen, dass sie tatsächlich in Sperrrichtung vorgespannt ist.
@Andyaka Die Operationsverstärker im Schaltplan sind das gleiche Paket wie der OPA847 und der OPA820, also habe ich das verwendet, anstatt eine neue Bibliothek in EAGLE zu installieren
Ich schlage vor, dass Sie, wenn Sie anständige Antworten wünschen, die Fehler in Ihrer Frage korrigieren. Was Sie zu sehen scheinen, ist für TIAs ziemlich normal, wenn Sie eine Fotodiode mit einer so hohen Kapazität haben - sie fügt eine Rauschverstärkung hinzu. War die Diode in den Spektraldiagrammen falsch herum?
@Andyaka Danke für deinen Vorschlag, ich habe die entsprechende Bearbeitung vorgenommen, um dies hoffentlich klarer zu machen. In Bezug auf die Diodenkapazität stimme ich zu, dass dies ein Problem und die Ursache für das hochfrequente Spannungsrauschen ist. Die Theorie besagt jedoch, dass der Rückkopplungskondensator das Rauschen verringern sollte, indem er die Diodenkapazität kompensiert (im Wesentlichen verringert er die Spitze der Transimpedanzverstärkung). Meine Verwirrung ist, dass wir dieses Verhalten sehen, wenn die Fotodiode durch einen Kondensator ersetzt wird, aber nicht, wenn sich die Fotodiode in der Schaltung befindet.
Es ist seltsam, dass sich die Nullursache durch die Eingangskapazität 1/(2*pi*Rf(Cin+Cf)) mit der Hinzufügung von Cf zu niedrigeren Frequenzen verschiebt, da Cf nur etwa 1 % von Cin beträgt. Ich würde sagen, der Rückkopplungskondensator fügt mit seinem linken Pad eine parasitäre Eingangskapazität hinzu, aber es wäre nur in der Größenordnung von einem einzelnen pF, also kann ich mir nicht vorstellen, wie es die Null signifikant verschieben würde. Ändert sich die Vorspannung der Fotodiode zwischen den Messungen, sodass sich ihre Kapazität ändert?

Antworten (4)

Ich bin mir nicht sicher, was das Rauschen in Ihrer Schaltung betrifft, aber hier ist eine ziemlich ausführliche Hilfeanleitung zum Anlegen von TIA-Schaltungen:

http://www.linear.com/solutions/5633

Ich kann nicht sagen, ob Sie die Masse- und Stromversorgungsebene auf Ihrer Eingangsspur von der Fotodiode aufgehoben haben. Sie können jedoch Folgendes versuchen. Stellen Sie die Eingangskappe und den Widerstand auf das Ende (Grabstein). Löten Sie einen sehr feinen Draht (vielleicht 40 AWG) von einem Ende, das in der Luft ist, an den Ausgangsstift der Fotodiode. Dadurch wird die Eingangskapazität minimiert und Sie erhalten somit den besten Hochfrequenzgang.

Eine andere, weniger drastische Sache, die Sie versuchen sollten, ist, die Pads von Rf und Cf auf das kleinstmögliche zu trimmen und sie dann seitlich auf die Platine zu löten. Parasitäre Eingangskapazität ist Ihr Feind bei hohen Frequenzen, und beide Ideen zielen darauf ab, sie zu minimieren. Obwohl es in der Massenproduktion teuer ist, kann es Ihnen einige Ideen geben, um die Leistung zu verbessern.

Einige andere Ideen - verwenden Sie 0402 statt 0805 oder 0603. Dies verringert auch die Eingangskapazität.

Eine andere Idee, die auch in der LT-Literatur stand, war, eine Massespur zwischen den Pads Ihres Eingangswiderstands zu verlegen. Dies bringt die Feldstärke auf 0. Ich habe ehrlich gesagt kein gutes Gefühl dafür, wie das hilft, aber sie packen einige Worte in den Link, den ich oben gegeben habe.

Viel Glück! Sie sollten einige Screenshots Ihres Frequenzgangs posten und uns mitteilen, was Sie getan haben - was funktioniert hat und was nicht.

Ihr Rückkopplungskondensator sollte mehr als 10 pF betragen, da die Fotodiodenkapazität größer ist.

Der Kondensator selbst hat eine viel niedrigere Impedanz als die Fotodiode, und daher ist meiner Meinung nach zu erwarten, dass die Schaltung weniger stabil ist. Es sieht so aus, als würde es sogar bei der 10-MHz-Spitze ein wenig mitschwingen, sodass Sie möglicherweise einen größeren Rückkopplungskondensator benötigen. Wenn 1,5 pF ungefähr der richtige Wert ist, kann die Verwendung eines tatsächlichen Trimmerkondensators zum Abstimmen geeignet sein, wenn er die Pfadlängen und dergleichen nicht zu stark erhöht.

Ich selbst bin mit der Theorie nicht richtig vertraut, daher kann ich nur grundlegende Ratschläge geben.

Vielen Dank für Ihre Antwort. Die Idee, eine Trimmkapazität hinzuzufügen, war etwas, an das ich nicht gedacht hatte, und würde die Überwachung der Wirkung der Kapazität viel einfacher machen.

Nach meiner Erfahrung scheint es, dass Sie den Kondensator-Flyback-Modus erleben. Was dazu führt, dass Ihre Spannung Spitzen erzeugt, die so saugend sind wie Ihre. Um dieses Problem zu beheben, würde ich empfehlen, einen größeren Kondensator zu verwenden oder dem System vor dem Kondensator einen zusätzlichen Widerstand hinzuzufügen.

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