PCB de fotodiodo de 15MHz, se solicita retroalimentación

Desarrollé una placa amplificadora de fotodiodo de 15 MHz de 2 capas. La primera etapa es un amplificador de transimpedancia que utiliza AD8065. La segunda etapa utiliza un amplificador de retroalimentación de corriente, THS3091. La alimentación es de +/-12 V fuera de la placa, en J2, desde una fuente semirregulada, que luego se vuelve 'pura' usando algunos LDO.ingrese la descripción de la imagen aquí

Usando la fórmula de la hoja de datos de Ad8065, debería poder obtener un ancho de banda de al menos 15 MHz usando el circuito de retroalimentación que se muestra. El circuito impreso:

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He hecho algunas cosas inusuales con este PCB y tengo algunas preguntas;

1) He cortado el plano de tierra por sugerencia de la hoja de datos; los nodos de entrada de alta impedancia de estos amplificadores operacionales son particularmente susceptibles a la capacitancia parásita. Se puede encontrar un diseño similar de TI, donde también cortaron el suelo de los nodos de entrada del amplificador operacional. Esto también parece ser una práctica estándar con los amplificadores operacionales de retroalimentación actual, por lo que hice el mismo corte para el THS3091.

Tenga en cuenta que he cortado el suelo de tal manera que no hay un 'bucle' hecho por el plano de tierra. ¿Es correcto hacer esto? ¿Sería prudente coserlos con un condensador?

2) Agregué un rastro de protección alrededor de la entrada inversora del TIA para protegerlo de las corrientes superficiales perdidas. Hice esto porque la corriente de cortocircuito de mi fotodiodo es de 1uA, así que calculo que lo usaré alrededor del nivel de 10-100nA. Como estoy usando OSH-park, tendré que quitar manualmente la máscara de soldadura, pero ¿está bien?

3) No estoy seguro de que R7 deba estar allí (he heredado parte de este diseño de un colega). R4/R9 equilibra la corriente de polarización de entrada ciertamente mínima, pero no sé qué está haciendo R7 en absoluto. Parece ser para la coincidencia de impedancia, pero las pistas aquí son tan cortas que no creo que importe.

4) Con respecto a C3 y C4, que no tienen valores específicos, creo que estos deberían ser iguales a la capacitancia que se ve en la entrada del amplificador operacional. Nuevamente, algo que he heredado. De lo contrario, el diseño tiene sentido para mí.

¡Cualquier comentario sobre el diseño y la PCB sería apreciado!

Editar: una cosa más, mi ubicación del condensador de derivación fue algo arbitraria; al enrutar realmente no hice un seguimiento de qué condensador es cuál. Estoy planeando colocar las tapas de derivación más pequeñas lo más cerca posible del chip.

Con respecto al n. ° 2: no debería tener que hacer esto manualmente. Para quitar la máscara de soldadura sobre el trazo, simplemente tiene que colocar una característica en la capa de máscara de soldadura en su diseño de PCB, directamente sobre el trazo. La forma de hacerlo depende del programa que esté utilizando. Pero debería ser lo mismo si usa OSHPark o cualquier otra casa de juntas.
Podría valer la pena mirar los rastros si el software de PCB que usa puede hacerlo. Esto facilitará la transición de trazos gruesos a finos. Además, no estoy seguro de qué es U3, pero uno de los rastros de repente se vuelve bastante delgado justo antes de llegar al pin 1.
+1 por una buena pregunta en el mar habitual de intentos de preguntas. y escuche bitsmak, no hay necesidad de eliminar manualmente la máscara de soldadura, su peor opción es editar manualmente los gerbers, lo cual es mucho mejor que raspar sr manualmente
Asegúrese de que su suministro tenga suficiente espacio libre bajo carga para cubrir todas las caídas de voltaje esperadas. Algunos voltios estarían bien. También permitiría que el plano de tierra se cruzara por debajo de los circuitos integrados para mantener ambos lados conectados; de lo contrario, deberá conectar cables resistentes de un lado al otro; tenerlos aislados evitará una referencia a tierra común.
@KalleMP Los terrenos están conectados en la parte superior en una unión continua, pero corté la imagen allí. También están conectados en J1, un conector BNC que actúa como un cable (la huella del conector es medio visible en la parte superior). Supongo que la impedancia no será tan perfecta como si estuviera completa, pero me dijeron que evitara los bucles del plano de tierra, ya que cualquier EMF inducido es proporcional al área del bucle.
Los problemas de campos electromagnéticos inducidos y bucles de tierra se vuelven significativos cuando hay grandes corrientes o pulsos de corriente que los inducen. Está haciendo referencia al desacoplamiento del suministro a terrenos indeterminados y el ruido en ellos se acoplará aleatoriamente a sus puntos de tierra izquierdo o derecho. El único puente grande en el BNC probablemente sea adecuado para esto, así que no se preocupe demasiado.
Creo que R7 debería ser una resistencia de "recorte". Esto permitirá ajustar la entrada + para igualar/equilibrar la entrada -. Si no se requiere este grado de precisión, bastará con un trozo de alambre. Yo "dejaría" los componentes R9, C3 y C4.

Respuestas (1)

Mi primer pensamiento es que puedes deshacerte de R7, R9, C3 y C4 por completo. Su amplificador operacional tiene corrientes de polarización de 1 pA, por el amor de Dios. Las compensaciones de entrada producidas por la corriente de polarización y la resistencia de retroalimentación ascienden a aproximadamente 25 nV.

Sin embargo, tengo muchas dudas de que pueda obtener la respuesta que desea. Solo está hablando de un exceso de ganancia de 5 a 15 MHz, y eso no es ni remotamente adecuado. Al modelar el circuito con una capacitancia de entrada de 2 pF, es posible obtener un rendimiento de 15 MHz con una resistencia de retroalimentación de 2,5 k, pero es extremadamente sensible al valor del capacitor de retroalimentación, y eso nunca es una buena señal.

Poner un anillo de protección en el PD parece una pérdida de tiempo, ya que claramente no está operando con corrientes extremadamente bajas y aumenta un poco la capacitancia de entrada.

@PaulL - Creo que me hablé mal. La frecuencia de cruce es de solo 65 MHz. La proporción de 5:1 es a lo que me refería.
¡Gracias! Me doy cuenta de que con la corriente de polarización pequeña, estas medidas son probablemente extremas. Quitaré el anillo de protección, pero dado que las resistencias y tapas adicionales agregan un costo insignificante para el volumen que estoy usando, las mantendré (y es posible que use un amplificador operacional TIA diferente más adelante). No estoy seguro de lo que quiere decir con 'ganancia en exceso de 5 a 15 MHz'. De acuerdo con la hoja de datos, para un margen de fase de 45 grados, el ancho de banda es Sqrt[1/(2*piRfCi) que, suponiendo que algo así como 4pF da 15MHz... tiene razón, es marginal. Cualquier exceso de capacitancia probablemente hará descarrilar este número . ¿Tiene alguna sugerencia para un TIA más rápido?
Acabo de ver tu comentario... Supongo que pensé que la frecuencia de cruce es 3db @ 145MHz. ¿De dónde obtienes 75 MHz?
Error tipográfico: es de 65 MHz. analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/… Figura 53.
PCB de fotodiodo de 15MHz, se solicita retroalimentación
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