Estoy trabajando con un circuito amplificador de transimpedancia utilizando un fotomultiplicador de silicio.
Este circuito es el circuito de transimpedancia recomendado para leer el fotomultiplicador de silicio de SensL. A continuación se incluye un enlace a la página de su producto. Usamos este circuito como punto de partida para nuestro circuito real a continuación.
Estos amplificadores están en canales separados y lo único que tienen en común es la polarización de -30 V y las fuentes de alimentación del amplificador operacional. De lo contrario, son independientes entre sí. A continuación se muestra una imagen del diseño.
La placa es una placa de 6 capas con su forma única para separar los SiPM del cabezal de alimentación en la otra esquina mientras mantiene los SiPM cerca uno del otro. Las salidas están separadas en capas individuales, por lo que no residen en el mismo plano, excepto al final, cuando tienen que ir a la capa inferior para llegar al conector. A pesar de la apariencia, las seis capas son planos de tierra, solo se muestran sin relleno para la ilustración de enrutamiento.
Al trabajar con circuitos como este, entiendo cómo funciona el circuito, convierte una señal de corriente en una señal de voltaje, pero tengo problemas para tratar de entender la relación entre los elementos de retroalimentación, tanto en la frecuencia dominio y el dominio del tiempo para relacionar la ganancia, el tiempo de subida y el filtrado.
Por lo que calculé, la ganancia de la señal de salida está controlada principalmente por Rf, por lo que no hay nada nuevo allí. En cuanto al filtrado, Rf y Cf forman un filtro de paso bajo: Rf / (1+ [j*2*pi f Rf*Cf]), y esto se simplifica a 1/(1+[j*2*pi f Rf *Cf]) ya que Rf es solo la ganancia de la señal. Con respecto al tiempo de subida, ¿es correcto verlo como un circuito RC básico considerando solo los componentes de la resistencia de retroalimentación y el capacitor, o al hacerlo se perdería algo?
La razón por la que pregunto es porque estoy tratando de proporcionar una alta ganancia para la salida del amplificador mientras mantengo el tiempo de subida lo más pequeño posible. Con los valores nominales que se muestran en el esquema, obtenemos alrededor de 20-30 ns. Mi equipo y yo hemos intentado usar condensadores más pequeños, 1 pF, 0,5 pF, 0,3 pF y 0,1 pF en lugar de 3 pF, pero los resultados son los mismos (aparte del aumento del ruido) con tiempos de subida de 28 ns. Si reducimos la capacitancia, seguramente el tiempo de subida se reduciría, pero parece extraño que se mantenga igual. Una vez más, el objetivo es mantener bajo el tiempo de subida y mantener alta la ganancia.
http://sensl.com/products/j-series/
Para ser más específicos, estamos usando un fotomultiplicador de silicio de alta densidad de 6 mm, el MFJ60035-TSV. El tiempo de subida para la salida del ánodo-cátodo es de 300 ps y la capacitancia en la salida del ánodo es de 4000 pF. No dice nada sobre la capacitancia en el cátodo. La corriente máxima es de 15 mA, mientras que el área activa es de 6,07 mm x 6,07 mm. El dispositivo requiere un voltaje de ruptura típico de 24,5 V, por eso tenemos esa gran polarización de -30 V en el ánodo.
EDITAR: Aquí está la hoja de datos del amplificador, junto con la página del producto para la resistencia:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa656.pdf
https://www.digikey.com/product-detail/en/yageo/RC0402JR-07470RL/311-470JRCT-ND/729429
La resistencia no es nada especial, siendo 0402 y nominal de 1/16 vatios. Con respecto al amplificador operacional, no sé mucho sobre los amplificadores operacionales además del ideal, por lo que parámetros como la velocidad de respuesta son nuevos para mí. La velocidad de respuesta es de 290 V/microsegundo, pero ¿qué tiene eso que ver con el tiempo de subida?
A continuación se muestran las partes del condensador que se utilizaron:
https://www.digikey.com/product-detail/en/kemet/CBR04C108B5GAC/399-6153-1-ND/2732136
Fueron elegidos por su tamaño y voltaje nominal. Pensé que 50 voltios serían suficientes para esta aplicación.
EDITAR: A continuación se muestra un alcance de las formas de onda del circuito. Esta imagen debe ser el valor base de 3 pF. Pido disculpas por la calidad, pero fue todo lo que me enviaron. Probaré a ver si consigo uno mejor más adelante.
A continuación se muestra otra forma de onda, de nuevo 3 pF. Estas formas de onda son de dos tableros separados. La señal en verde proviene de una placa que contiene un SiPM, mientras que la señal violeta proviene de una placa que contiene 4 SiPM. Solo un SiPM está activo en ambos tableros. Creo que la diferencia de amplitud podría deberse a que el sesgo de -30 V se distribuye entre varios SiPM.
Aquí hay una imagen de algunas otras formas de onda con diferentes capacitores. Este a continuación contiene formas de onda de señales con Rf de 470 ohmios y Cf de 0,3 pF y 0,1 pF. La señal verde es de 0,3 pF mientras que la violeta es de 0,1 pF. Ambos tiempos de subida son casi iguales, alrededor de 30 ns.
Nuevamente, con la siguiente imagen, Rf sigue siendo de 470 ohmios. El verde es 1,0 pF, mientras que el violeta es 0,5 pF. Los tiempos de subida aquí son de aproximadamente 27 ns.
Dada la 'variación' en estos tiempos de subida para los condensadores de diferentes valores, parece que hay un límite superior para el TIA. La disminución de la capacitancia más allá de 3 pF parece no hacer nada por el tiempo de subida y solo aumenta el ruido, aunque realmente no entiendo por qué.
EDITAR: dado que alguien lo mencionó, idealmente, esperaba un tiempo de aumento de 10 ns dados los valores. A continuación se muestra una simulación de mi circuito. El modelo SiPM es un modelo provisto por el fabricante, y la polarización de voltaje ya está solucionada en el modelo, por lo que no es necesaria una polarización de -30 V en el ánodo. Tuve que darle un pulso externo para 'activar' el SiPM, por lo que fue solo un pulso simple de 5 V. Puedes verlo en la figura en verde. El azul es la señal de salida y su tiempo de subida es de 9,98 ns con una carga de salida de 50 ohmios.
Mencioné esto en los comentarios, pero quería ponerlo en el cuerpo para que sea más concreto. Mi equipo y yo hicimos algunas pruebas que implicaban cambiar la resistencia de retroalimentación mientras manteníamos la misma capacitancia en 3 pF. Al reducir la resistencia de retroalimentación, pudimos acelerar el tiempo de subida a expensas de una ganancia de voltaje más pequeña. Hacer Rf 235 ohmios redujo el tiempo de 27 ns a 18 ns, y reducirlo a 50 ohmios nos dio un tiempo de subida de 10 ns. Ahora, estamos tratando de hacer lo contrario, reducir el capacitor mientras mantenemos la resistencia igual a 470 ohmios, pero parece extraño que algo por debajo de 3 pF todavía resulte en el mismo tiempo de subida de ~30 ns.
Si reducimos la capacitancia, seguramente el tiempo de subida se reduciría, pero parece extraño que se mantenga igual. Una vez más, el objetivo es mantener bajo el tiempo de subida y mantener alta la ganancia.
Hay varias causas posibles:
Tienes los documentos. Parece que requieren una cuenta en el sitio web del fabricante.
Capacitancia en el nodo de retroalimentación, desacoplamiento de suministro, etc. Puede publicar una imagen de diseño.
Voy a suponer que el amplificador operacional no está impulsando una carga capacitiva pesada como un cable largo, que todo está terminado correctamente, etc. Puede probar una sonda X10 rápida en la salida sin ningún cable, en caso de duda.
OPA656 está especificado para una velocidad de respuesta de 290 V/µs. Tenga en cuenta que su tiempo de subida de 1,5 ns (página 5 de la hoja de datos) se especifica solo para un paso de 0,2 V.
No dice cuánto aumento de voltaje hay en su tiempo de aumento, por lo que no puedo decirlo. Pasar de 0V a 10V en 10ns requiere 1000V/µs, pero pasar de 0 a 1V en el mismo tiempo solo requiere 100V/µs.
Entonces, puede intentar cambiar la resistencia de 470 ohmios a un valor más bajo, digamos 47 ohmios. Trate de usar el límite más bajo que funcione para Cf. Si el tiempo de subida se vuelve más rápido, entonces el culpable fue el límite de velocidad de respuesta del opamp. Si nada cambia, entonces es el sensor.
Si su problema es la velocidad de respuesta del opamp, entonces necesitará un opamp más rápido.
EDITAR
La resistencia no es nada especial, siendo 0402 y nominal de 1/16 vatios.
La resistencia está mal. Seleccionó película gruesa, esta tiene un mayor ruido, además el ruido depende de la corriente. además es del 5%, y 100ppm/°C. Las películas gruesas están destinadas a ser baratas.
Utilice una resistencia de película delgada. Como 1%, con buen tempco (no se que precisión necesitas). De todos modos, la película delgada tendrá menos ruido. También puede usar una película de metal MELF, pero no estoy seguro acerca de la L/C parásita de MELF, a menos que intervenga un tipo de RF. Por lo tanto, es mejor quedarse con una película delgada.
Además, espero que todos los límites en la ruta de la señal (incluido el filtro de polarización de 30 V) sean C0G, ya que las cerámicas High-K como X7R tienen capacitancia dependiente del voltaje (es decir, distorsión), baja precisión y también actúan como excelentes micrófonos piezoeléctricos.
Con respecto al amplificador operacional, no sé mucho sobre los amplificadores operacionales además del ideal, por lo que parámetros como la velocidad de respuesta son nuevos para mí.
Está bien, eso lo explica.
La velocidad de respuesta es de 290 V/microsegundo, pero ¿qué tiene eso que ver con el tiempo de subida?
Bueno, cuando la salida del opamp debe moverse de, digamos, 0V a 3V, no puede hacerlo instantáneamente. La velocidad de respuesta es la velocidad máxima de cambio del voltaje de salida.
Entonces, en este ejemplo, con 290V/µs, obtenemos un paso de 3V dividido por 290V/µs = 10ns. No puede ir más rápido que esto.
De hecho, será más lento. La rotación es una operación no lineal, durante la cual la mitad de la etapa de entrada del amplificador operacional está apagada y la otra mitad está completamente encendida, porque el voltaje de error entre las entradas del amplificador operacional excede el máximo para la operación lineal.
Una vez que la salida se acerca lo suficiente al valor objetivo, la etapa de entrada vuelve a funcionar normalmente y recupera el control de la salida. Pero esto toma un tiempo (no tanto en un amplificador operacional rápido, pero aún así no es cero).
Luego, la salida debe asentarse (consulte el tiempo de establecimiento en la hoja de datos).
La velocidad de respuesta es la razón por la que su tiempo de subida depende de la amplitud de su paso, en voltios. Cuando el opamp entra en el límite de velocidad de respuesta, se tarda más en llegar a la cima de un paso más alto. Todavía no has dicho cuál fue el cambio de voltaje de paso, por cierto...
Por lo tanto, necesita un amplificador operacional más rápido o un paso de voltaje más pequeño (menor ganancia). A veces, un opamp no hará el trabajo, y puede usar dos en serie, cada uno proporcionando parte de la ganancia. Solo el primer opamp importa para el ruido, ya que el segundo funciona con una señal amplificada.
Disposición
El diseño es un problema. Lo explicaré.
El hecho de que coloque cada rastro en una capa separada no significa que estén aislados. Pusiste un relleno GND en cada capa, pero no conectaste estas capas con muchas vías. En presencia de señales de alta velocidad, la inductancia importa.
En tiempos de subida de 1ns estamos en tierra de GHz. Una vía es 1nH, que es de 6 ohmios. Pero sus vías son muy pocas y distantes entre sí, por lo que sus planos de tierra están conectados entre sí con una inductancia bastante alta y no especificada. Los planos también son condensadores, por lo que se acoplan. L y C juntos también harán un circuito de tanque, que sonará. También obtendrá toneladas de diafonía.
(por favor, relájate, no te estoy criticando, está bien, esto es algo exótico)
A continuación, la integridad del poder.
Así que tienes un conector de alimentación de entrada... Debe haber un filtro allí, modo común y/o ferritas en las líneas de alimentación para asegurarse de que las señales de alta velocidad no utilicen los cables de alimentación como antenas.
Las tapas de desacoplamiento de suministro de sus amplificadores operacionales están en el conector de alimentación, y la alimentación se enruta a través de pistas. Estas trazas tienen una inductancia de al menos 10-20 nH, que a 1 GHz es... ¡toneladas de ohmios inductivos! Cuando el opamp intenta extraer corriente para impulsar su pulso rápido, su voltaje de suministro colapsará (y también matará el suministro de su vecino, ya que hay un límite para todos). Los amplificadores operacionales rápidos necesitan sus propias tapas de desacoplamiento personales, lo más cerca posible.
¡Lo mismo para el desacoplamiento de -30V, use uno por sensor y póngalos cerca! Teniendo en cuenta la longitud de la traza hasta el límite de desacoplamiento de -30 V, el pulso de corriente del sensor lo alcanzará... bueno, alrededor de 150-200 ps/pulgada... bueno, el tiempo de subida de 500 ps habrá terminado antes de que la onda se propague a la tapa, luego se reflejará hacia el sensor y producirá un eco falso.
¡Parece que te espera un respin en la tabla!...
Consejo: usa una tabla más grande.
Realice 4 minidiseños idénticos con sensor, opamp, desacoplamiento y conectores SMA, todos juntos.
La ganancia se establece por Rf.
El tiempo de subida no es tan simple. Para un opamp ideal perfecto, la respuesta de frecuencia sería la atenuación de paso bajo de Rf y Cf. Con los valores que muestra, serían 113 MHz.
Sin embargo, ese es un amplificador operacional real, no ideal. No vinculó a una hoja de datos, por lo que no puedo ser específico. Sin embargo, sea lo que sea, tendrá una velocidad de respuesta finita y un ancho de banda de ganancia unitaria finito. Tenga en cuenta que la retroalimentación se basa en que el opamp tiene una alta ganancia, idealmente infinita. Esto significa que no puede simplemente usar su producto de ancho de banda de ganancia y asumir que el circuito pasará el filtro de paso bajo más allá de eso. Los efectos ocurrirán a frecuencias significativamente más bajas donde la ganancia ya no es "grande" pero aún está por encima de 1.
Otro problema es que 3 pF es tan bajo que la inevitable capacitancia parásita a través de Rf y entre la salida y la entrada negativa del opamp es significativa. Con capacitancias deliberadas tan bajas, debe tener mucho cuidado en el diseño. Una ruta tortuosa o solo una capa aislante delgada a un avión u otra pista puede tener fácilmente más de 3 pF a otro lugar.
Busque la capacitancia parásita de la resistencia que está utilizando para Rf. Probablemente sea significativo en relación con 3 pF. Y esa es solo una fuente de capacitancia no deseada.
Dices que obtienes un tiempo de subida de 20 ns. ¿Cuál es la especificación de respuesta de paso de señal pequeña del opamp? Tal vez estás recibiendo exactamente lo que te prometieron.
Andy alias
kevin blanco
analogsystemsrf
BestQualityVacío
Andy alias
BestQualityVacío