Sensor

Fotodioden-Transimpedanzverstärker

Berechnet Ausgangsspannung, Bandbreite und Rauschen des Transimpedanzverstärkers für die Fotodioden-Signalkonditionierung.

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Formel

V_out = I_ph × R_f, BW = 1/(2π × R_f × C_f)

R_f— Rückkopplungswiderstand (Ω)

C_f— Rückkopplungskapazität (F)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner entwickelt Transimpedanzverstärker (TIAs) für die Signalkonditionierung von Photodioden, die für Ingenieure der optischen Kommunikation, Designer von Laserleistungsmessern und Entwickler wissenschaftlicher Instrumente unverzichtbar sind. Ein TIA wandelt den Photostrom einer Photodiode in eine Spannung mit der Verstärkung Rf um: Vout = Iph * Rf, wobei Iph der Photostrom (typischerweise 1 nA bis 1 mA) und Rf der Rückkopplungswiderstand (1 kOhm bis 10 GOhm) ist. Der Operationsverstärker hält die Photodiode an virtueller Masse, wodurch die Sperrschichtkapazität (typischerweise Cj = 10-100 pF) und der Dunkelstrom minimiert werden. Die Bandbreite wird durch das Rückkopplungsnetzwerk begrenzt: BW = 1/ (2*Pi*RF*CF), wobei Cf der Rückkopplungskondensator ist, der für die Stabilität benötigt wird. Ohne Cf verursacht die gesamte Eingangskapazität Spitzenwerte oder Oszillationen. Das Stabilitätskriterium für Analog Devices MT-059 ist Cf >= sqrt (Cin/ (2*Pi*GBW*RF)). Das dominante Geräusch ist das Johnson-Rauschen von Rf: en = sqrt (4*K*t*RF) = 4,07*sqrt (Rf) nV/rTHZ bei 25 °C unter Verwendung von k = 1,380649e-23 J/K (exakter SI, BIPM-Neudefinition 2019). Die Methode zur Messung der Empfindlichkeit von Photodioden und der NEP-Messung entspricht IEC 60747-5-5 (Halbleiterbauelemente — Optoelektronische Geräte) und der NIST Technical Note 2064 (Optische Leistungsmessung). Die bewährten TIA-Designmethoden sind in Analog Devices MT-059 (Überlegungen zur Transimpedanz für Hochgeschwindigkeitsverstärker) dokumentiert. Ein Rf-Wert von 1 mOhm erzeugt eine spektrale Rauschdichte von 129 nV/rTHz. Rauschäquivalente Leistung (NEP) = Eingangs-/Empfindlichkeit, typischerweise 1—100 fW/rTHz für optimierte TIAs.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwerfen Sie eine TIA für eine Hamamatsu S5972 PIN-Fotodiode (Cj = 10 pF, Empfindlichkeit 0,65 A/W bei 850 nm), um eine optische Leistung von 0,1-10 uW zu erkennen. Zielausgangsspannung 1 V bei 10 uW, BW >= 100 kHz.

Lösung:

Nennstrom: Iph = 10 uW * 0,65 A/W = 6,5 uA
Erforderliche Verstärkung: Rf = Vout/Iph = 1 V/6,5 uA = 154 kOhm (verwenden Sie den Standard 150 kOhm)
Maximaler Cf für 100 kHz BW: Cf = 1/ (2*pi*150k*100k) = 10,6 pF (verwenden Sie 10 pF)
Überprüfen Sie die Stabilität mit OPA657 (GBW = 1,6 GHz, Cin = 4 pF):

cF_min = sqrt ((10+4) pF/(2*pi*1,6e9*150k)) = sqrt (9,3e-24) = 3,05 pF < 10 pF (stabil)

Johnson-Geräusch: en = sqrt (4*1,38e-23*298*150e3) = 49,8 nV/rTHz
Stromrauschen: in = en/RF = 49,8 nV/RTHZ/150 kOhm = 0,33 fA/RTHZ
NEP = 0,33 fA/RTHz/0,65 A/W = 0,51 fW/rTHz (ausgezeichnet)

Ergebnis: Verwenden Sie Rf = 150 kOhm, Cf = 10 pF, OPA657. Die Bandbreite beträgt 106 kHz, NEP beträgt 0,51 fW/rTHz, der Dynamikbereich beträgt 100:1 (40 dB).

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie Operationsverstärker mit FET-Eingang (OPA657, AD8065, LTC6268) für ein optimales Rauschverhalten; ein niedriger Eingangsbiasstrom (<10 pA) vermeidet einen zusätzlichen Dunkelstrom der Photodiode (normalerweise 1—100 nA) gemäß Texas Instruments SBAA060
✓Platzieren Sie Cf physisch über Rf auf der Leiterplatte, ohne dass es durch Leiterbahnen verbunden ist. Die Streukapazität von 10 mm Leiterbahnen (0,5 pF) kann bei Verstärkungen über 1 mOhm zu parasitären Schwingungen führen
✓Für Breitband-TIAs (>10 MHz) sollten Sie integrierte TIA-ICs (MAX3864, AD8015) in Betracht ziehen, die einen optimierten Operationsverstärker und ein Feedback-Netzwerk für garantierte Stabilität und eine Bandbreite von über 100 MHz kombinieren

Häufige Fehler

✗Weglassen des Rückkopplungskondensators Cf: Die parasitäre Sperrschichtkapazität (10-100 pF) erzeugt eine Resonanzspitze mit Rf; sogar 10 pF Cj mit 1 mOhm Rf oszillieren bei 16 kHz ohne Cf gemäß ANALOG DEVICES AN-1112
✗Verwendung eines langsamen Operationsverstärkers (<1 MHz GBW): Die TIA-Bandbreite ist minimal (1/ (2*Pi*RF*CF), GBW/Noise_Gain); ein 1-MHz-Operationsverstärker mit 100-facher Rauschverstärkung begrenzt BW bis 10 kHz, unabhängig von Rf*Cf
✗Wenn Rf für Bandbreite zu groß gewählt wird: 10 mOhm mit 1 pF Cf ergeben nur 16 kHz BW; stellen Sie sicher, dass das Rf*Cf-Produkt die Bandbreitenanforderungen erfüllt, bevor Sie die Komponentenwerte finalisieren

Häufig gestellte Fragen

Warum wird die Photodiode auf virtuellem Boden betrieben, nicht in umgekehrter Richtung?

Im photoleitenden Modus (umgekehrte Vorspannung) wird die Sperrschichtkapazität minimiert (Cj sinkt mit der Sperrspannung pro C = C0/sqrt (1+V/Vbi)) und die Linearität wird maximiert. Der TIA-Operationsverstärker hält die Kathode auf virtueller Masse (0 V) und sorgt für eine leichte Sperrvorspannung, wenn die Anode an eine negative Versorgung oder Masse angeschlossen wird. Keine oder eine geringe Sperrvorspannung minimiert den Dunkelstrom (verdoppelt sich alle 10 °C, typischerweise 1 nA bei 25 °C laut Hamamatsu-Datenblatt) und sorgt gleichzeitig für ein schnelles Ansprechverhalten. Bei sehr niedrigen Lichtverhältnissen reduziert der Photovoltaikmodus (Nullvorspannung) den Dunkelstrom auf Femtoampere.

Was ist der Unterschied zwischen dem photovoltaischen und dem fotoleitenden Modus?

Im Photovoltaikmodus (Nullvorspannung) wird die Photodiode als Stromquelle mit minimalem Dunkelstrom (<1 pA für hochwertige Si-Photodioden) betrieben; ideal für die Erkennung des PW-Werts in wissenschaftlichen Geräten. Der photoleitende Modus (umgekehrte Vorspannung, -5 bis -90 V) reduziert die Sperrschichtkapazität um das 2- bis 10-fache (schnellere Reaktion) und verbessert die Linearität bei hohem Photostrom, allerdings auf Kosten eines 10- bis 100-fach höheren Dunkelstroms. TIAs arbeiten in der Regel ohne Vorspannung (virtuelle Masse) oder mit leichter umgekehrter Vorspannung, um einen optimalen Kompromiss zwischen Rauschen und Bandbreite gemäß der technischen Anmerkung von Hamamatsu zu erzielen.

Wie berechne ich die TIA-Geräuschäquivalenzleistung (NEP)?

NEP = Gesamtes eingangsbezogener Stromrauschen/Empfindlichkeit der Photodiode. Das Stromrauschen umfasst: Johnson-Rauschen von Rf (in_RF = sqrt (4kt/RF)), in Strom umgewandeltes Spannungsrauschen des Operationsverstärkers (in_vn = en*2*PI*F*CIN) und Operationsverstärker-Stromrauschen (in_op, typischerweise 1—10 fA/rTHz für FET-Operationsverstärker). Summe: in_total = sqrt (in_RF^2 + in_vn^2 + in_op^2). Für 150 kOhm Rf bei 25 °C: in_RF = 0,33 fA/rTHZ. Bei einer Empfindlichkeit von 0,65 A/W ist NEP = 0,51 fW/rTHz. Ein niedrigerer NEP bedeutet eine Empfindlichkeit gegenüber schwächeren Lichtsignalen gemäß NIST-Handbuch 44.