¿Cómo puedo disminuir el ruido manteniendo el ancho de banda y la ganancia en mi amplificador de transimpedancia?

Soy un estudiante de fotónica que intenta desarrollar un amplificador de transimpedancia para usarlo como reemplazo en un circuito de fotodetección. Me he topado con una pared mientras diseñaba el circuito. Quiero un ancho de banda de alrededor de 5kHz a 2GHz, una ganancia de 26dB+ y una figura de ruido de alrededor de 3-4dB, pero no importa lo que intente, no puedo obtener mi figura de ruido por debajo de 20 cuando modelo en Multisim.Circuito que he hecho hasta ahora

Figura de entrada/salida de ruido de multisim

Una ayuda para averiguar qué puedo hacer sería muy apreciada. También me gustaría saber cómo podría deshacerme de las resistencias de 10 Mohm, pero el circuito no parece funcionar bien sin ellas.

¡GRACIAS!

¿Está abierto a una solución que use un IC en lugar de diseñarlo usted mismo usando transistores discretos? Creo que le resultará difícil implementar un TIA con las especificaciones deseadas utilizando transistores discretos.
No estoy seguro de que pueda hacer esto incluso usando buenos amplificadores operacionales TIA. Es MUCHO ancho de banda lo que está buscando.
¿De dónde espera que provenga la ganancia? Los transistores 2N2222 se agotan a unos pocos cientos de MHz.
Vaya al sitio web de NXP y elija transistores que tengan un fT de varios GHz.
También necesita desesperadamente hablar con alguien que esté familiarizado con el diseño de circuitos de GHz. Por ejemplo, se garantiza que fallará el uso de un condensador de bloqueo de 20 uF para señales de GHz. Sin mencionar sus resistencias de emisor de 10 miliohmios. Y su resistencia de 30 Mohm sin tener en cuenta las capacitancias parásitas. Además del hecho de que no tiene un amplificador de transimpedancia en absoluto: tiene una resistencia de detección de 50 ohmios seguida de un amplificador de voltaje completamente inadecuado.
En esos anchos de banda, incluso las resistencias agregan ruido (ruido Johnson, que aumenta con resistencias más altas). Digikey tiene una cartera completa de TIA de muchos fabricantes que se extiende hasta unos buenos 26 Ghz , será mucho más fácil usar un TIA comercial que construir uno propio, especialmente en el reino vudú de RF de GHz.
Aquí hay una especie de analogía con su pregunta. "Estoy construyendo un kart con un motor de arranque de automóvil de 12 V y una batería de automóvil vieja que encontré en la calle. Funciona, pero quiero aumentar la velocidad máxima a 40 mph y aumentar el alcance a alrededor de 100 millas. ¿Puede ayudarme a seleccionar el mejor cable para aumentar el alcance y la velocidad?" No digo esto para ser duro o desalentador, sino solo para ayudarlo a comprender el alcance de lo que está tratando de hacer.

Respuestas (1)

Primero, no nos preocupemos por la ganancia, pero hagamos que la carga delta del fotodiodo se convierta en un voltaje delta saludable y amortiguado en la salida de una primera etapa. Suponga que 20pF de PhotoDiode establece el piso de ruido total (sqrt(kt/c), que es de 7 microvoltios RMS. Su señal es de 50 uV pico, o 25 uV por encima o por debajo de algún umbral de detección. ¿Qué podemos hacer con eso?

Sesguemos un bipolar CE NPN a 26 mA, proporcionando GM de 1 amperio/voltio o 50 uA/50 uV. Suponiendo que la resistencia del colector es de 100 ohmios (de valor bajo, por lo que tenemos una esperanza legítima de alcanzar los 2 GHz de ancho de banda), nuestro voltaje delta de salida es de 50 uA * 100 ohmios o 5 milivoltios. [por cierto, 1pF y 100 ohmios es 100pS o 1,6 GHz F3dB]

Coloque un seguidor de emisor en eso, funcionando a 10 mA para que Rout sea de 2,6 ohmios, y la CA acople ESO en una copia de la primera etapa, produciendo una salida de 500 milivoltios.

Sin ningún TIA a la vista. El 2SC5646A tiene Ftau de 12,5 GHz a 3 voltios y 15 mA, con Cob de 0,5 pF típico.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Advertencias: (1) la capacitancia del fotodiodo puede causar la oscilación de CommonBase Q1. Si es así, suelde SurfaceMount 10Ohms directamente debajo de la base del transistor. Literalmente, levante el cable base SOT-23 y deslice 10 ohmios debajo de ese cable. (2) para más velocidad, aumente VDD; o reduzca R1 a 50 ohmios; R1 tiene 0.5 + 0.5pF en paralelo (COb Q1, Cob Q2), o 100picoSec tau, solo 1.6GHz. (3) reduzca la resistencia de configuración de transconductancia [queremos gm de 1/1_ohm] a 33 o 24 ohmios, y reduzca el voltaje base del potenciómetro; esto proporciona más Vce en Q1 para un mayor ancho de banda. (4) el circuito tiene poco espacio libre en Q2, por lo que puede saturarse; considere reducir la resistencia del colector inferior para obtener más espacio libre.

¿Qué tenemos (creemos que) tenemos aquí? Colector tau de 100 ohmios * 0,5 pF (solo 1 de las cargas Cob) o Tau de 50 picosegundos, compatible con velocidades de datos de 15 GB/seg. Con una entrada de 20uA, obtenemos una salida de 100 ohmios * 20uA = 2 milivoltios (del colector Q1, emisor Q2) a una salida de 2,6 ohmios, o ~~ 50 veces la corriente que proporcionó el PD.

Podemos intercambiar ganancia por ancho de banda, aumentando R1 a 200 ohmios con 100pS tau. Eso requiere usar 6 voltios VDD y reducir Remitter de Q1.

¿Cómo puedo disminuir el ruido manteniendo el ancho de banda y la ganancia en mi amplificador de transimpedancia?
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