Wie kann ich das Rauschen verringern und gleichzeitig Bandbreite und Verstärkung in meinem Transimpedanzverstärker beibehalten?

Ich bin ein Student der Photonik und versuche, einen Transimpedanzverstärker zu entwickeln, der als Drop-in-Ersatz in einer Photodetektionsschaltung verwendet werden kann. Ich bin beim Entwerfen der Schaltung gegen eine Wand gelaufen. Ich möchte eine Bandbreite von etwa 5 kHz bis 2 GHz, eine Verstärkung von 26 dB+ und eine Rauschzahl von etwa 3-4 dB, aber egal, was ich versuche, ich kann meine Rauschzahl beim Modellieren in Multisim nicht unter 20 bringen.Schaltung, die ich bisher gemacht habe

Noise In/Noise Out Abbildung von Multisim

Eine Hilfe beim Herausfinden, was ich tun kann, wäre sehr willkommen. Ich würde auch gerne wissen, wie ich die 10-MOhm-Widerstände loswerden könnte, aber die Schaltung scheint ohne sie nicht richtig zu funktionieren.

DANKE!

Sind Sie offen für eine Lösung, die einen IC verwendet, anstatt ihn mit diskreten Transistoren selbst zu entwerfen? Ich glaube, Sie werden es schwierig finden, einen TIA mit Ihren gewünschten Spezifikationen mit diskreten Transistoren zu implementieren.
Ich bin mir nicht sicher, ob Sie dies auch mit netten TIA-Operationsverstärkern tun können. Es ist eine Menge Bandbreite, nach der Sie suchen.
Woher soll der Gewinn kommen? 2N2222-Transistoren geht bei einigen hundert MHz die Puste aus.
Gehen Sie auf die Website von NXP und wählen Sie Transistoren mit einem fT von mehreren GHz aus.
Sie müssen auch dringend mit jemandem sprechen, der sich mit GHz-Schaltungsdesign auskennt. Beispielsweise ist die Verwendung eines 20-uF-Sperrkondensators für GHz-Signale ausfallsicher. Ganz zu schweigen von Ihren 10-Milliohm-Emitterwiderständen. Und Ihr 30-MOhm-Widerstand ohne Berücksichtigung parasitärer Kapazitäten. Plus die Tatsache, dass Sie überhaupt keinen Transimpedanzverstärker haben - Sie haben einen 50-Ohm-Messwiderstand, gefolgt von einem völlig unzureichenden Spannungsverstärker.
Bei diesen Bandbreiten fügen sogar die Widerstände Rauschen hinzu (Johnson-Rauschen - das mit höheren Widerständen zunimmt). Digikey verfügt über ein ganzes Portfolio von TIAs vieler Hersteller, die sich bis zu guten 26 GHz erstrecken . Es wird viel einfacher sein, einen Standard-TIA zu verwenden, als einen eigenen zu bauen, insbesondere im GHz-RF-Voodoo-Bereich.
Hier ist eine Art Analogie zu Ihrer Frage. „Ich baue ein Go-Kart aus einem 12-V-Autostarter und einer alten Autobatterie, die ich auf der Straße gefunden habe. Es funktioniert, aber ich möchte die Höchstgeschwindigkeit auf 40 Meilen pro Stunde und die Reichweite auf etwa 100 Meilen erhöhen. Können Sie mir helfen, das beste Kabel auszuwählen, um die Reichweite und Geschwindigkeit zu erhöhen?" Ich sage das nicht, um hart oder entmutigend zu sein, sondern nur, um Ihnen zu helfen, den Umfang dessen zu verstehen, was Sie zu tun versuchen.

Antworten (1)

Lassen Sie uns zunächst keine Gedanken über die Verstärkung machen, sondern lassen Sie die Delta-Ladung von der Fotodiode am Ausgang einer ersten Stufe in eine gesunde, gepufferte Delta-Spannung umwandeln. Angenommen, die 20 pF der PhotoDiode legen das Gesamtrauschen (sqrt (kt / c)) fest, das 7 Mikrovolt RMS beträgt. Ihr Signal hat eine Spitze von 50 uV oder 25 uV über oder unter einer bestimmten Erkennungsschwelle. Was können wir damit tun?

Lassen Sie uns einen CE-NPN-Bipolar auf 26 mA vorspannen, der GM von 1 A / Volt oder 50 uA / 50 uV liefert. Unter der Annahme, dass der Kollektorwiderstand 100 Ohm beträgt (niedriger Wert, daher haben wir berechtigte Hoffnung, 2 GHz BW zu erreichen), beträgt unsere Ausgangs-Delta-Spannung 50 uA * 100 Ohm oder 5 Millivolt. [Übrigens, 1 pF und 100 Ohm sind 100 pS oder 1,6 GHz F3dB]

Setzen Sie einen Emitterfolger darauf, der mit 10 mA läuft, sodass Rout 2,6 Ohm beträgt, und koppeln Sie AC DAS in eine Kopie der ersten Stufe, wodurch ein Ausgang von 500 Millivolt erzeugt wird.

Mit keinem TIA in Sicht. Der 2SC5646A hat 12,5 GHz Ftau bei 3 Volt und 15 mA, mit einem typischen Cob von 0,5 pF.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Vorbehalte: (1) Die Kapazität der Fotodiode kann eine Oszillation der CommonBase Q1 verursachen. Wenn ja, SurfaceMount 10Ohm direkt unter die Transistorbasis löten. Heben Sie buchstäblich die SOT-23-Basisleitung an und schieben Sie 10 Ohm unter diese Leitung. (2) für mehr Geschwindigkeit VDD verstärken; oder R1 auf 50 Ohm reduzieren; R1 hat 0,5 + 0,5 pF parallel (COb Q1, Cob Q2) oder 100 picoSec tau, nur 1,6 GHz. (3) Reduzieren Sie den Transconductance_setting-Widerstand [wir wollen gm von 1/1_Ohm] auf 33 oder 24 Ohm und reduzieren Sie die Topfbasisspannung; dies liefert mehr Vce auf Q1 für eine höhere Bandbreite. (4) Schaltung hat wenig Headroom auf Q2, kann also in die Sättigung gehen; Erwägen Sie, den unteren Kollektorwiderstand für mehr Headroom zu reduzieren.

Was haben wir (meinen) hier? Kollektor-Tau von 100 Ohm * 0,5 pF (nur 1 der Cob-Lasten) oder 50 Pikosekunden-Tau, unterstützt Datenraten von 15 GB/s. Mit 20 uA Eingang erhalten wir 100 Ohm * 20 uA = 2 Millivolt Ausgang (vom Q1-Kollektor, Q2-Emitter) bei 2,6 Ohm Rout oder ~~ 50x dem Strom als der bereitgestellte PD.

Wir können die Verstärkung gegen die Bandbreite tauschen, indem wir R1 mit 100 pS Tau auf 200 Ohm erhöhen. Dies erfordert die Verwendung von 6 Volt VDD und die Reduzierung des Remitters von Q1.

Wie kann ich das Rauschen verringern und gleichzeitig Bandbreite und Verstärkung in meinem Transimpedanzverstärker beibehalten?
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