Transimpedancia frente a amplificador no inversor para aplicaciones de alta sensibilidad

He probado la configuración de transimpedancia y funciona, pero el ruido y las fugas aleatorias causan muchos problemas

He aquí por qué tiene un problema de ruido con un TIA (todo tiene que ver con la capacitancia parásita): -

Cada amplificador operacional tiene una fuente de ruido de entrada interna "inconvenientemente" ubicada en serie con cualquiera de las entradas y, por lo que estoy tratando de demostrar, lo he mostrado en serie con Vin+.

Entonces tiene "placas de recolección de iones" y estas forman una capacitancia a tierra de quizás 100 pF (conjeturas). No importa cuál sea el valor exacto, ya que cualquier capacitancia causará lo que se conoce como ganancia de ruido (el gran obstáculo de algunos circuitos TIA).

Por lo tanto, olvídese de su entrada de corriente de iones reales y concéntrese en que ese ruido se amplifique por el siguiente factor:

$1+\dfrac{R_f}{X_C}$(¡eso es lo que hará una etapa de ganancia no inversora y eso es lo que tienes!)

Ahora, en aras de la simplicidad, digamos que entre CC y 10 Hz tiene una densidad de ruido de voltaje promedio de ~ 100 nV/sqrt (Hz). Sobre un ancho de banda de 10 Hz que se convierte en 100 nV * sqrt(10) = ~300 nV RMS.

Xc a 1 Hz es 1,59 G ohmios, por lo que la ganancia de ruido a 1 Hz es 1 + 100/1,59 = ~ 64, lo que hace que el ruido de salida sea de aproximadamente 19,2 uV RMS.

Esta es solo una explicación simplificada de dónde surge el ruido básico "dentro de la banda" en un TIA debido a la "ganancia de ruido". Claramente, a (digamos) 10 kHz, la reactancia capacitiva es mucho, mucho más baja y hay mucho ruido "fuera de banda". Entonces, a 10 kHz, tiene una reactancia de 159 k ohmios y una ganancia de ruido de 628,000 (consulte "redención" a continuación).

Este ruido de entrada (entre 1 kHz y 100 kHz) es de ~ 6 nV * sqrt (99k) = 1,9 uV y, debido a la ganancia de ruido, aparecerá en la salida a un nivel de 1,19 V RMS y fácilmente podría inundar su señal de forma masiva. Sin embargo, debe recordar que está fuera del ruido de la banda y se puede filtrar fácilmente.

También se debe considerar el ruido térmico de la resistencia de 100 G ohmios.

Los cálculos anteriores son solo una regla general aproximada, pero no estarán demasiado lejos. Y ahora una porción de la realidad que ayuda...

Redención

Veo que tienes Cf ajustado a cero pF. Suponiendo que los parásitos contribuyan con algo del orden de 0,5 pF, su ganancia de ruido comenzará a reducirse a aproximadamente 3 Hz, por lo que esto reducirá significativamente el ruido de salida "fuera de banda" porque la ganancia de ruido ahora se reduce a frecuencias más altas, lo que significa una ganancia de ruido de 628 k es imposible. Lo explicaré poco a poco.

El resultado es que la ganancia de ruido a frecuencias más altas se convierte en la relación de las dos reactancias capacitivas (retroalimentación dividida por la capacitancia de entrada) y, en mi ejemplo, la ganancia de ruido (debido a la capacitancia parásita de retroalimentación de 0,5 pF y la capacitancia de entrada de 100 pF) será ~200. La ganancia de ruido en banda seguirá siendo 64 a 1 Hz porque a esta baja frecuencia la resistencia de 100 G ohm es más dominante que un capacitor de 0,5 pF.

Circuito inferior

La capacitancia de placa de 100 pF y la resistencia de entrada de 100 G ohm lo convierten en un filtro de paso bajo con un corte de 0,016 Hz, es decir, bastante inadecuado para una frecuencia máxima dentro de la banda de 2 Hz. El TIA sigue siendo la mejor opción a pesar de los problemas de ruido.

El circuito superior es el mejor con diferencia.

La ventaja del circuito superior es muy fundamental, su impedancia de entrada es baja, lo cual es la forma ideal de medir corrientes de un sensor que se comporta como una fuente de corriente. El opamp mantendrá el voltaje en la entrada cero para que las capacitancias parásitas se mantengan en el mismo voltaje. En efecto, se elimina la influencia de estas capacidades parásitas.

El circuito inferior tiene una impedancia de entrada de 100 Gohm. Una corriente del sensor desarrollará un voltaje a través de R1 pero cualquier capacitancia parásita también se carga/descarga. Entonces, parte de la corriente del sensor se usa para esto. El ancho de banda resultante será mucho menor en comparación con el circuito superior. A 100 G ohm, solo unos pocos pF ya marcan una gran diferencia.