Amplificador de Transimpedancia para Fotodiodo
Calcula el voltaje de salida, ancho de banda y ruido del amplificador de transimpedancia para acondicionamiento de señal de fotodiodo.
Fórmula
V_out = I_ph × R_f, BW = 1/(2π × R_f × C_f)
Cómo Funciona
Un amplificador de transimpedancia (TIA) convierte la salida de corriente de un fotodiodo en un voltaje utilizable. El amplificador operacional mantiene el fotodiodo en tierra virtual (sin polarización, minimizando la corriente oscura) y la resistencia de retroalimentación R_f establece la ganancia: V_out = i_ph × R_f. El ancho de banda de −3 dB está limitado por la red RC de retroalimentación: BW = 1/ (2π × R_f × C_f), donde C_f es el condensador de retroalimentación que se añade en paralelo con R_f para mayor estabilidad. Sin c_F, la capacitancia total de entrada (unión de fotodiodo + entrada de amplificador operacional) puede provocar picos u oscilaciones. Una buena regla de diseño es establecer el ancho de banda de ganancia de ruido igual al producto de ganancia de ancho de banda del amplificador operacional: c_f ≥ √ (C_in/(2π × GBW × R_f)). La fuente de ruido dominante en los TIA de alta ganancia es el ruido de Johnson de r_F: e_n = √ (4kTr_f), lo que proporciona una densidad espectral de ruido en nV/√Hz. La elección de r_F implica compensar la ganancia (r_F más alto → más voltaje de salida) con el ancho de banda y el ruido (r_F más alto → ancho de banda más bajo, mayor ruido de Johnson integrado en el ancho de banda).
Ejemplo Resuelto
Problema: Diseñe un TIA para un fotodiodo con una corriente a gran escala de 5 μA. Salida objetivo de 1 V a escala completa y ancho de banda ≥ 10 kHz. ¿Qué R_f y C_f se necesitan? Solución: 1. Ganancia requerida: R_f = V_out/i_ph = 1 V/ (5×10～A) = 200 kΩ 2. C_f máximo para un ancho de banda de 10 kHz: c_F = 1/ (2π × 200 × 10³ × 10 × 10³) = 79,6 pF → utilice 68 pF (estándar) 3. Ruido de Johnson a r_F = 200 kΩ: e_n = √ (4 × 1,38 × 10-1-²³ × 293 × 200 × 10³) × 10 = 57,5 nV/√Hz 4. Compruebe el GBW del amplificador operacional: necesita GBW ≥ BW × R_f/R_in, elija un amplificador operacional con ≥ 1 MHz GBW Resultado: usa R_f = 200 kΩ, c_F = 68 pF, un amplificador operacional con un GBW ≥ 1 MHz (p. ej., OPA657 o TLV2372).
Consejos Prácticos
- ✓Utilice un amplificador operacional de entrada FET (por ejemplo, OPA657, AD8065) para obtener un mejor rendimiento de ruido; la baja corriente de polarización de entrada (< 10 pA) evita aumentar la corriente oscura del fotodiodo.
- ✓Coloque C_f físicamente sobre R_f en la PCB, no solo en el esquema: la capacitancia dispersa de las trazas largas de la PCB puede provocar una oscilación parásita con ganancias elevadas.
- ✓Para los TIA de banda ancha (> 1 MHz), considere un circuito integrado de amplificador de transimpedancia (por ejemplo, el MAX3864) que integre el amplificador operacional y la red de retroalimentación para optimizar el rendimiento de alta frecuencia.
Errores Comunes
- ✗Omitiendo el condensador de retroalimentación C_f, la capacitancia de la unión del fotodiodo parásito (incluso 10 pF) crea un pico resonante con R_f que puede oscilar; añada siempre C_f.
- ✗Con un amplificador operacional lento (< 1 MHz GBW): el ancho de banda del TIA se establece en min (1/ (2π R_FC_f), GBW/noise_gain); un amplificador operacional lento limita el ancho de banda muy por debajo del límite de RC.
- ✗Elegir R_f demasiado grande para el ancho de banda deseado: 1 MΩ con 10 pF c_F proporciona solo 15,9 kHz de ancho de banda; verifique el producto RC antes de finalizar R_f.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué el fotodiodo tiene polarización inversa en terreno virtual, no polarizada hacia adelante?
En el modo fotoconductor (polarización inversa), la capacitancia de la unión del fotodiodo se minimiza y la linealidad se maximiza. El amplificador operacional TIA mantiene el cátodo en posición virtual de tierra (0 V), lo que proporciona una polarización inversa si el ánodo está en tierra, mientras la fotocorriente fluye hacia la resistencia de retroalimentación. La polarización cero o inversa también reduce la corriente oscura en comparación con la polarización directa.
¿Cuál es la diferencia entre el modo fotovoltaico y el fotoconductor?
En el modo fotovoltaico (polarización cero), el fotodiodo actúa como fuente de corriente con una corriente oscura muy baja, ideal para aplicaciones de precisión con poca luz. En el modo fotoconductor (polarización inversa, normalmente de hasta -5 V), la capacitancia de la unión se reduce, lo que proporciona una respuesta más rápida y una mejor linealidad, a costa de una corriente oscura un poco más alta. Los TIA suelen hacer funcionar el fotodiodo con una polarización cero o cercana a cero (tierra virtual).
¿Cómo calculo la potencia equivalente al ruido (NEP) de la TIA?
NEP = corriente de ruido/capacidad de respuesta. El ruido de corriente referido a la entrada es i_n = e_N_r/R_f = √ (4kT/r_F) A/√Hz. Divida por la capacidad de respuesta del fotodiodo (A/W) para obtener la NEP en W/√Hz. Una NEP más baja significa que el TIA puede detectar señales de luz más débiles.
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