Amplificador de transimpedancia de bajo ruido (TIA): ¿por qué la adición de un condensador de retroalimentación provoca un pico de ruido de voltaje?

Estoy trabajando en un amplificador de transimpedancia de bajo ruido (TIA) para la detección de señales ópticas débiles. El objetivo es lograr un ancho de banda de 10 MHz con un ruido de voltaje blanco mínimo de 10-20 nV/rtHz. Estoy usando el fotodiodo FGA21 y el amplificador operacional OPA847 con una resistencia de retroalimentación de 10 kohm que funciona en modo fotoconductor.

Las especificaciones clave incluyen:

  • Producto de ganancia de ancho de banda: GBW = 3.9GHz
  • Ruido de voltaje de entrada: e_n = 0.85nV/rtHz
  • Ruido de corriente de entrada: i_n = 2.5pA/rtHz
  • capacitancia del fotodiodo: C_d = 100pF a 3V de polarización

El diseño de PCB siguió muchas de las técnicas de diseño sugeridas (minimizar la longitud de la pista, pasar los componentes de retroalimentación debajo del amplificador operacional, aislar las pistas sensibles del plano de tierra, etc.). Además, el suministro de voltaje se filtró en gran medida mediante condensadores de desacoplamiento y se utilizó el amplificador operacional OPA820 para amortiguar la salida.

Se tomaron dos espectros de ruido, uno en el que la capacitancia de retroalimentación se dejó abierta y otro en el que se fijó en 1,5 pF:Ruido TIA

Las líneas discontinuas representan las correspondientes curvas teóricas de ruido. Claramente, el capacitor hace que el pico de ruido se amplíe y cambie de frecuencia, lo que contradice la teoría que sugiere que un capacitor de retroalimentación amortigua la ganancia de transimpedancia y reduce el ruido de alta frecuencia.

Para probar esto más a fondo, se construyó un circuito sin el fotodiodo; en su lugar, se agregó un capacitor de 100 pF para imitar la capacitancia de la unión del diodo y se volvieron a tomar las medidas de ruido:

ingrese la descripción de la imagen aquí

En este circuito, la adición de un capacitor de retroalimentación hace que el ruido se amortigüe de manera similar a como lo predice la teoría, lo que me sugiere que el modelo de fotodiodo simple de una capacitancia de unión y una fuente de corriente puede no ser completamente preciso. Sin embargo, buscando en la literatura aún no he encontrado discusiones sobre las limitaciones de este modelo, ni he visto ningún ejemplo de este comportamiento.

Entonces, me pregunto si alguien más se ha encontrado con este problema antes o puede entender cómo la adición de un solo capacitor causa una gran disparidad entre la teoría y el experimento.

(Disculpe la falta de diagramas de circuitos, soy un usuario nuevo y hasta el momento solo puedo adjuntar dos enlaces por pregunta)

Editar: aquí está el diseño de PCB para el TIA con fotodiodo:ingrese la descripción de la imagen aquí

y aquí está el esquema del circuito (vale la pena señalar que no se usó el filtro de paso bajo entre los amplificadores operacionales, el capacitor se dejó abierto):ingrese la descripción de la imagen aquí

Edición 2: tenga en cuenta que en los diagramas de circuito anteriores, el fotodiodo no tiene polarización inversa, en todos los espectros de ruido que se muestran, está soldado con la polarización correcta

Quizás pueda cargar un enlace de una imagen para su circuito. Hay lugares como Tinypic donde puede obtener un enlace a su imagen una vez que la carga. Tal vez esto pueda ayudar a resolver el problema temporal de publicar imágenes.
¿Está el segundo amplificador operacional DENTRO del bucle del primer amplificador operacional? ¿Y su VDD está pasando por alto... amortiguado? Utilice Rdamp = sqrt(L/C)
@analogsystemsrf el segundo amplificador operacional actúa como un búfer con ganancia unitaria, en mi análisis lo he estado tratando como si estuviera separado de la ganancia de bucle del primer amplificador operacional. Con respecto al voltaje, tanto V+ como V- se filtran mediante el uso de una perla de ferrita y condensadores directamente desde su salida de la fuente de alimentación para limitar la fuente de alimentación (aunque esto probablemente sea un exceso de ingeniería).
¿Por qué su fotodiodo está polarizado hacia adelante? ¿Por qué los amplificadores operacionales del circuito son diferentes a los del texto?
@Andy, también conocido como Ese fue un error bastante estúpido del que no me di cuenta hasta que hice la placa, los pines del fotodiodo se voltean en el circuito para garantizar que en realidad tenga polarización inversa.
@Andyaka Los amplificadores operacionales en el diagrama del circuito son el mismo paquete que OPA847 y OPA820, así que lo usé en lugar de instalar una nueva biblioteca en EAGLE
Le sugiero que si desea respuestas decentes, corrija los errores en su pregunta. Lo que parece estar viendo es bastante normal para los TIA cuando tiene un fotodiodo con una capacitancia tan alta: agrega ganancia de ruido. En los gráficos espectrales, ¿estaba el diodo al revés?
@Andyaka Gracias por su sugerencia, realicé la edición adecuada para que esto quede más claro. Con respecto a la capacitancia del diodo, estoy de acuerdo en que es un problema y la causa del ruido de voltaje de alta frecuencia. Sin embargo, la teoría establece que el capacitor de retroalimentación debería disminuir el ruido al compensar la capacitancia del diodo (esencialmente, disminuye el pico en la ganancia de transimpedancia). Mi confusión es que vemos este comportamiento cuando el fotodiodo se reemplaza por un capacitor, pero no cuando el fotodiodo está en el circuito.
Es extraño que la causa cero por la capacitancia de entrada 1/(2*pi*Rf(Cin+Cf)) se mueva a frecuencias más bajas con la adición de Cf, ya que Cf es solo alrededor del 1% de Cin. Diría que el capacitor de retroalimentación está agregando una capacitancia de entrada parásita con su pad izquierdo, pero solo sería del orden de un solo pF, por lo que no puedo imaginar cómo cambiaría el cero significativamente. ¿Está cambiando la polarización del fotodiodo entre las mediciones de modo que cambie su capacitancia?

Respuestas (4)

No estoy seguro específicamente sobre el ruido en su circuito, pero aquí hay una guía de ayuda bastante extensa para diseñar circuitos TIA:

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

No puedo decir si ha anulado el plano de tierra y energía en su rastro de entrada del fotodiodo. Sin embargo, puede intentar lo siguiente. Coloque la tapa de entrada y la resistencia en el extremo (lápida). Suelde un cable muy fino (quizás 40AWG) desde un extremo que está en el aire hasta el pin de salida del fotodiodo. Esto minimizará la capacitancia de entrada y, por lo tanto, le brindará la mejor respuesta de alta frecuencia.

Otra cosa menos drástica que puedes intentar es recortar las almohadillas de Rf y Cf lo más pequeñas posible, luego soldarlas en la placa de lado. La capacitancia de entrada parásita es su enemigo a altas frecuencias, y ambas ideas tienen como objetivo minimizarla. Aunque es costoso en la producción en masa, puede darle algunas ideas para mejorar su rendimiento.

Algunas otras ideas: use 0402 en lugar de 0805 o 0603. Esto también disminuirá la capacitancia de entrada.

Otra idea que también estaba en la literatura de LT era ejecutar un seguimiento de tierra entre las almohadillas de su resistencia de entrada. Esto lleva la fuerza del campo a 0. Honestamente, no tengo una buena idea de cómo ayuda esto, pero lo envuelven con algunas palabras en el enlace que di arriba.

¡Buena suerte! Debe publicar algunas capturas de pantalla de su respuesta de frecuencia y decirnos qué hizo, qué funcionó y qué no.

Su condensador de retroalimentación debe ser superior a 10pF ya que la capacitancia del fotodiodo es mayor.

El condensador por sí mismo tendrá una impedancia mucho más baja que el fotodiodo, por lo que creo que se podría esperar que el circuito sea menos estable. Parece que incluso resuena un poco en el pico de 10 MHz, por lo que es posible que necesite un condensador de retroalimentación más grande. Si 1.5pF está alrededor del valor correcto, entonces el uso de un condensador recortador real podría ser conveniente para la sintonización si no aumenta demasiado la longitud de la ruta.

Yo mismo no estoy familiarizado con la teoría, por lo que solo puedo ofrecer consejos básicos.

Gracias por su respuesta, la idea de agregar una capacitancia de recorte es algo en lo que no había pensado y haría mucho más fácil monitorear el efecto de la capacitancia.

En mi experiencia, parece que está experimentando el modo de retorno del capacitor. Lo que está causando que su voltaje cree picos tan malos como los suyos. Para solucionar este problema, recomendaría usar un condensador más grande o agregar resistencia adicional al sistema antes del condensador.

Amplificador de transimpedancia de bajo ruido (TIA): ¿por qué la adición de un condensador de retroalimentación provoca un pico de ruido de voltaje?
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