Diseño de PCB del amplificador de transimpedancia

Estoy tratando de reemplazar una combinación de placa de fotodiodo de avalancha + amplificador de voltaje externo que sufre captación de RF debido al cableado entre el diodo y el amplificador, así como al bajo ancho de banda debido a la terminación de 50 ohmios con una sola placa que tiene el diodo en uno lado (detrás de un sistema óptico) y el amplificador y la electrónica detrás/alrededor del diodo. Al ponerlos cerca, creo que debería poder reducir en gran medida la capacitancia del cable y la captación de RF. Diseñé un amplificador de transimpedancia simple mirando algunos diseños de TIA de referencia que la gente ha usado para diodos similares y luego leyendo los manuales de TI:

esquema del circuito

El amplificador toma un diodo fuente de 350 pF y proporciona una transresistencia de 750 ohmios. El ancho de banda objetivo es de 50 MHz y uso el OPA847 con un producto GBW de 3,9 GHz. El manual de TI proporciona una capacitancia de retroalimentación de 6,2 pf para esta configuración. En el lado derecho del esquema hay un diodo (en este caso dibujado como BJT porque la salida de pines coincidía con un modelo original en Altium) y algunos condensadores de filtrado en polarización (entre los pines 1 y 2). Los pines 3, 4 y 5 del conector J1 proporcionan el +/-5 y GND requeridos por la TIA. Utilicé partes SMD 1206 más grandes porque esperaba tener que volver a soldar los errores y porque la capacitancia de la fuente ya es grande y el ancho de banda es relativamente bajo.

Estos son los diseños que se me ocurrieron en el FR4 usando una PCB de 2 caras y 1" de diámetro. Lado frontal (diodo) con el espacio muerto rellenado y conectado a tierra (izquierda) y omitido para mayor claridad (derecha):

APD lado del tablero

Lado posterior (opamp/conector):

lado opamp del tablero

Nunca he diseñado algo con más de unos pocos MHz de ancho de banda, así que tengo algunas preguntas:

  1. ¿Debería usar terrenos separados para los circuitos Opamp y Bias? Debatí cortar el área alrededor del circuito de polarización de alto voltaje (C3, C4, R5, etiquetado como 'polarización de diodo') para aislarlo del amplificador, pero no tengo idea si esto es importante o si es una buena idea. En este momento, se proporcionan cables de tierra separados, pero los cortocircuitaría externamente a la placa. Usaré una fuente de alimentación externa de ruido ultrabajo para conducir el diodo de avalancha a través de los pines del conector 1+2 a alrededor de 50v. Editar: la respuesta fue SÍ.

  2. ¿Qué tan malo es mi diseño y cómo puedo mejorarlo? Me preocupa que tuve que enrutar la salida del amplificador en el espacio entre los terminales del capacitor de filtro en el capacitor C1 (voltaje de suministro positivo del amplificador, caja verde). ¿Es tan mala idea como parece? El tamaño estaba muy limitado por el diámetro del sistema óptico en el que encaja, pero podría usar piezas más pequeñas 0805 o 0603 si fuera necesario.

  3. Los condensadores de desacoplamiento del OPA847 se copiaron de otro diseño con este amplificador operacional. Parecen funcionar, pero estoy abierto a sugerencias si no son correctas.

Editar

Diseño revisado con los planos de tierra fusionados. Esto simplifica enormemente el enrutamiento.Diseño actualizado

¿Puedes vincular la hoja de datos de tu APD? Tengo curiosidad principalmente por qué tiene 3 pines.
Además, ¿está 100% seguro de que su interferencia de RF no proviene de la línea que alimenta el voltaje de polarización al APD?
Lo sentimos, el tercer pin es un suelo. Hay algunos que me interesan, pero aquí hay un modelo representativo: hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s14420_series_kapd1061e.pdf
como dijo @ThePhoton, arrojar perlas de inductor aquí y allá en las líneas de suministro sonaría como una supresión de RF adicional barata a la que no renunciaría.
Ah, y coloque C3 en el mismo lado que el diodo: su vía entre C3 y el diodo proporciona una inductancia adicional que no desea.
La placa actual tiene filtros RC en serie en el sesgo con > 120 dB (teórico) de rechazo de las tapas de cerámica en la frecuencia que veo en el osciloscopio. La corriente de polarización es proporcionada por coaxial para reducir la captación. No estoy seguro de cómo es el rendimiento en el mundo real (probablemente peor), pero la interferencia está presente incluso cuando el diodo no está polarizado, por lo que sospecho que se detecta en otro lugar del circuito. El diodo de avalancha es una pieza de orificio pasante, por lo que no puedo deshacerme de la vía. ¿Importa a qué lado del orificio pasante me conecto en ese caso?
ah, en ese caso, no, probablemente no importe.
No estoy convencido de que este amplificador operacional sea adecuado como TIA con un valor tan bajo de resistencia de retroalimentación. El amplificador operacional no es estable de ganancia unitaria, por lo que se debe tener especial cuidado y creo que debe confirmar con TI que esto funcionará.
Entonces parece que está pasando por alto su alto voltaje en relación con la carcasa/protección, en lugar de la conexión a tierra del circuito TIA. Por lo tanto, cualquier captación en el blindaje del cable puede introducir interferencias en la señal vista por el TIA.
@The Photon, en respuesta a la Pregunta 1, ¿recomendaría usar una conexión a tierra común para la polarización de alto voltaje y el circuito TIA?
@ user1850479, sí, tienes que hacer eso. De lo contrario, cualquier diferencia en los potenciales de tierra cambia cuánto se sesga el APD, lo que provocará un cambio en el factor de multiplicación.
@The Photon: gracias, actualicé el diseño con un plano de tierra común para ambas partes del circuito. El enrutamiento es mucho más simple de esta manera. ¿Algún otro comentario sobre el diseño actualizado?

Respuestas (1)

Han pasado algunos meses e hice otra iteración del diseño. Según lo que aprendí, pensé que respondería algunas de mis propias preguntas en caso de que sean útiles para otras personas.

¿Qué tan malo es mi diseño y cómo puedo mejorarlo?

Mi diseño tuvo algunos problemas.

Primero, 1206 resistencias/tapas son ridículamente grandes. Terminé usando 0603 y, aunque no eran lo más fácil de soldar, incluso con un hierro medio roto y soldadura sin plomo, no fue tan malo hacer algunos a mano. El tamaño más pequeño hizo que todo el diseño fuera mucho, mucho más limpio, y aunque no creo que el rendimiento de RF estuviera necesariamente limitado por el paquete 1206, no estuvo de más mejorarlo. Creo que el mejor diseño ayudó mucho, encontré que el diseño revisado funcionó mejor y necesitaba menos capacitancia de retroalimentación.

En segundo lugar, ignoré por completo el consejo estándar de que no ejecute un plano de tierra bajo un opamp debido a la capacitancia adicional. No importó en este caso porque la capacitancia del diodo era ~ 500 veces mayor, pero aún así tenía un diseño descuidado.

En tercer lugar, puse la resistencia de terminación de 50 ohmios muy cerca del terminal SMB de 50 ohmios, pero más lejos del opamp. En estas frecuencias, no es necesario estar a solo unos milímetros del conector SMB, mientras que colocar la resistencia más lejos de la red de retroalimentación extiende efectivamente la cobertura de la red de retroalimentación, agregando capacitancia y más posibilidades de captación de ruido. Cambiar a las partes 0603 y mover el terminador de 50 ohmios justo contra el opamp me permitió limpiar realmente el diseño de la red de retroalimentación y reducir su área a un mínimo absoluto.

Cuarto, un punto muy pequeño, puse partes SMD debajo del diodo de avalancha. Esto funcionó bien, pero debería haber sido más cuidadoso porque la carcasa del diodo está conectada a tierra, lo que presenta el riesgo de cortocircuitos si las piezas tienen metal expuesto (por ejemplo, tapas más altas). Probablemente no debería haber puesto nada más que el amplificador operacional (muy delgado) debajo del diodo, ya que eso habría minimizado la altura del diodo y, por lo tanto, la inductancia de sus cables.

Los condensadores de desacoplamiento del OPA847 se copiaron de otro diseño con este amplificador operacional. Parecen funcionar, pero estoy abierto a sugerencias si no son correctas.

Aunque no hizo una gran diferencia posiblemente debido a la fuente de alimentación de alta calidad que estaba usando, también debería haber algunos límites más grandes (~ 5uF) para el rechazo de baja frecuencia en algún lugar de la placa.

De todos modos, este fue un ejercicio interesante. Espero que lo aprendido sea útil para otras personas.

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