Skip to content
RFrftools.io
Sensor

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.

Loading calculator...

Fórmula

Vout=Iph×Rf,BW=1/(2π×Rf×Cf)V_out = I_ph × R_f, BW = 1/(2π × R_f × C_f)
R_f— Resistencia a la retroalimentación (Ω)
C_f— Capacitancia de retroalimentación (F)

Cómo Funciona

Esta calculadora diseña amplificadores de transimpedancia (TIA) para el acondicionamiento de señales de fotodiodos, algo esencial para los ingenieros de comunicación óptica, los diseñadores de medidores de potencia láser y los desarrolladores de instrumentación científica. Un TIA convierte la fotocorriente de los fotodiodos en voltaje con una ganancia Rf: Vout = Iph * Rf, donde Iph es la fotocorriente (normalmente de 1 nA a 1 mA) y Rf es la resistencia de retroalimentación (de 1 kOhm a 10 gOhm). El amplificador operacional mantiene el fotodiodo en posición virtual de tierra, lo que minimiza la capacitancia de la unión (normalmente Cj = 10-100 pF) y la corriente oscura. El ancho de banda está limitado por la red de retroalimentación: BW = 1/ (2*Pi*RF*CF), donde Cf es el condensador de retroalimentación necesario para la estabilidad. Sin Cf, la capacitancia total de entrada provoca picos u oscilaciones. El criterio de estabilidad del MT-059 de Analog Devices es Cf >= sqrt (Cin/ (2*Pi*GBW*RF)). El ruido dominante es el ruido de Johnson de Rf: en = sqrt (4*k*t*RF) = 4,07*sqrt (Rf) nV/Rthz a 25 °C utilizando k = 1,380649e-23 J/K (SI exacto, redefinición de BIPM de 2019). La metodología de medición de la capacidad de respuesta de los fotodiodos y la NEP sigue la norma IEC 60747-5-5 (dispositivos semiconductores — dispositivos optoelectrónicos) y la nota técnica 2064 del NIST (medición de potencia óptica). Las mejores prácticas de diseño de los TIA se documentan en Analog Devices MT-059 (Consideraciones sobre la transimpedancia para amplificadores de alta velocidad). Un RF de 1 mOhm produce una densidad espectral de ruido de 129 nV/RTHz. Potencia equivalente a ruido (NEP) = capacidad de respuesta de entrada, normalmente de 1 a 100 fW/RTHz para los TIA optimizados.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe un TIA para un fotodiodo PIN Hamamatsu S5972 (Cj = 10 pF, capacidad de respuesta de 0,65 A/W a 850 nm) para detectar una potencia óptica de 0,1 a 10 uW. Objetivo: salida de 1 V a 10 uW, ancho de banda >= 100 kHz.

Solución:

  1. Corriente a gran escala: Iph = 10 uW * 0.65 A/W = 6.5 uA
  2. Ganancia requerida: Rf = Vout/Iph = 1 V/6.5 uA = 154 kOhm (utilice el estándar de 150 kOhm)
  3. Cf máximo para un ancho de banda de 100 kHz: Cf = 1/ (2*pi*150k*100k) = 10,6 pF (utilice 10 pF)
  4. Compruebe la estabilidad con 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 (estable)
  1. Ruido de Johnson: en = sqrt (4*1.38e-23*298*150e3) = 49,8 nV/RTHz
  2. Ruido actual: in = en/RF = 49.8 nV/RTHz/150 kOhm = 0.33 fA/RTHz
  3. NEP = 0,33 FA/RTHz/0,65 A/W = 0,51 fW/RTHz (excelente)
Resultado: utilice Rf = 150 kOhm, Cf = 10 pF, OPA657. El ancho de banda es de 106 kHz, el NEP es de 0,51 fW/RTHz y el rango dinámico es de 100:1 (40 dB).

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice amplificadores operacionales de entrada FET (OPA657, AD8065, LTC6268) para obtener un mejor rendimiento de ruido; la corriente de polarización de entrada baja (<10 pA) evita añadir corriente oscura a los fotodiodos (normalmente de 1 a 100 nA) según el SBAA060 de Texas Instruments
  • ✓Coloque el Cf físicamente sobre el Rf de la PCB, sin conectarlo a través de trazas; la capacitancia parásita de las trazas de PCB de 10 mm (0,5 pF) puede provocar oscilaciones parásitas con ganancias superiores a 1 mOhm
  • ✓Para los TIA de banda ancha (>10 MHz), considere los circuitos integrados TIA integrados (MAX3864, AD8015) que combinan un amplificador operacional optimizado y una red de retroalimentación para garantizar la estabilidad y un ancho de banda de más de 100 MHz

Errores Comunes

  • ✗Omitiendo el condensador de retroalimentación Cf: la capacitancia de la unión parásita (10-100 pF) crea un pico de resonancia con Rf; incluso 10 pF Cj con 1 mOhm Rf oscila a 16 kHz sin Cf según Analog Devices AN-1112
  • ✗Uso de un amplificador operacional lento (<1 MHz GBW): el ancho de banda TIA es mínimo (1/ (2*pi*RF*CF), GBW/noise_gain); un amplificador operacional de 1 MHz con una ganancia de ruido de 100x limita el ancho de banda a 10 kHz independientemente del Rf*Cf
  • ✗Elegir un Rf demasiado grande para el ancho de banda: 10 mOhm con 1 pF Cf proporcionan solo 16 kHz de ancho de banda; compruebe que el producto Rf*Cf cumple con los requisitos de ancho de banda antes de finalizar los valores de los componentes

Preguntas Frecuentes

En el modo fotoconductor (polarización inversa), la capacitancia de la unión se minimiza (Cj disminuye con el voltaje inverso por C = C0/sqrt (1+V/Vbi)) y la linealidad se maximiza. El amplificador operacional TIA mantiene el cátodo en posición virtual de tierra (0 V), lo que proporciona una ligera polarización inversa si el ánodo se conecta a una fuente negativa o a tierra. La polarización inversa nula o leve minimiza la corriente oscura (se duplica cada 10 °C, normalmente 1 nA a 25 °C, según la hoja de datos de Hamamatsu) y, al mismo tiempo, mantiene una respuesta rápida. Para niveles de iluminación muy bajos, el modo fotovoltaico (polarización cero) reduce la corriente oscura a femtoamperios.
El modo fotovoltaico (polarización cero) hace funcionar el fotodiodo como fuente de corriente con una corriente oscura mínima (<1 pA para los fotodiodos de Si de primera calidad); ideal para la detección a nivel de Pw en instrumentos científicos. El modo fotoconductor (polarización inversa, de -5 a -90 V) reduce la capacitancia de la unión entre 2 y 10 veces (respuesta más rápida) y mejora la linealidad en caso de alta fotocorriente, a costa de una corriente oscura entre 10 y 100 veces mayor. Según la nota técnica de Hamamatsu, los TIA suelen funcionar con una polarización cero (tierra virtual) o con una ligera polarización inversa para lograr un equilibrio óptimo entre el ruido y el ancho de banda.
NEP = ruido de corriente total referido a la entrada/capacidad de respuesta del fotodiodo. El ruido actual incluye: el ruido de Johnson procedente de Rf (in_RF = sqrt (4 kt/RF)), el ruido de voltaje del amplificador operacional convertido en corriente (in_vn = en*2*pi*F*cin) y el ruido de corriente del amplificador operacional (in_op, normalmente de 1 a 10 FA/RTHz en los amplificadores operacionales FET). Total: in_total = sqrt (in_RF^2 + in_vn^2 + in_op^2). Para 150 kOhm de RF a 25 °C: in_RF = 0.33 fA/rTHz. Con una capacidad de respuesta de 0,65 A/W, NEP = 0,51 fW/RTHz. Una NEP más baja significa sensibilidad a señales de luz más débiles, según el Manual 44 del NIST.

Calculadoras relacionadas

Sensor

Puente Wheatstone

Calcula el voltaje de salida y el balance del puente de Wheatstone para sensores de presión, fuerza y strain.

Sensor

Amp Celda de Carga

Calcula el voltaje de salida de la celda de carga, ganancia requerida del amplificador y sensibilidad para celdas de carga de puente Wheatstone.

Sensor

Exactitud Sensor

Calcula la exactitud total del sistema de sensor usando métodos RSS y caso peor a partir de errores de offset, ganancia, no linealidad, resolución y deriva térmica.

Sensor

Termistor NTC

Calcula la temperatura a partir de la resistencia de un termistor NTC usando la ecuación de Steinhart-Hart.