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Sensor

Amplificateur de Transimpédance Photodiode

Calcule la tension de sortie, la bande passante et le bruit de l'amplificateur de transimpédance pour le conditionnement de signal photodiode.

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Formule

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

R_f— Feedback resistance (Ω)
C_f— Feedback capacitance (F)

Comment ça marche

Un amplificateur de transimpédance (TIA) convertit le courant de sortie d'une photodiode en une tension utilisable. L'amplificateur opérationnel maintient la photodiode à la terre virtuelle (polarisation nulle, minimisation du courant d'obscurité) et la résistance de rétroaction R_f règle le gain : V_out = I_pH × R_f. La bande passante de -3 dB est limitée par le réseau RC de rétroaction : BW = 1/ (2π × R_f × C_f), où C_f est le condensateur de rétroaction ajouté en parallèle à R_f pour des raisons de stabilité. Sans C_f, la capacité d'entrée totale (jonction photodiode + entrée d'amplificateur opérationnel) peut provoquer un pic ou une oscillation. Une bonne règle de conception consiste à définir la bande passante de gain de bruit égale au produit gain-bande passante de l'amplificateur opérationnel : C_f ≥ √ (C_in/(2π × GBW × R_f)). La principale source de bruit dans les TIA à gain élevé est le bruit de Johnson issu de R_f : e_n = √ (4kTr_F), ce qui donne une densité spectrale de bruit en nV/√ Hz. Choisir R_f implique un compromis entre le gain (R_f plus élevé → tension de sortie plus élevée) par rapport à la bande passante et au bruit (R_f plus élevé → BW plus faible, bruit de Johnson plus élevé intégré sur la bande passante).

Exemple Résolu

Problème : Concevez un TIA pour une photodiode avec un courant à pleine échelle de 5 μA. Sortie cible 1 V pleine échelle et BW ≥ 10 kHz. Quels sont les éléments R_f et C_f nécessaires ? Solution : 1. Gain requis : R_f = V_out/I_pH = 1 V/(5 × 10 A) = 200 kΩ 2. C_f maximum pour 10 kHz BW : C_f = 1/ (2π × 200×10³ × 10×10³) = 79,6 pF → utiliser 68 pF (standard) 3. Bruit de Johnson à R_f = 200 kΩ : e_n = √ (4 × 1,38×10²³ × 293 × 200×10³) × 10¹ = 57,5 nV/√ Hz 4. Vérifiez l'amplificateur opérationnel GBW : vous avez besoin de GBW ≥ BW × R_F/R_in, choisissez un amplificateur opérationnel avec ≥ 1 MHz GBW Résultat : utilisez R_f = 200 kΩ, C_f = 68 pF, un amplificateur opérationnel avec GBW ≥ 1 MHz (par exemple, OPA657 ou TLV2372).

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez un amplificateur opérationnel à entrée FET (par exemple, OPA657, AD8065) pour de meilleures performances en matière de bruit. Le faible courant de polarisation d'entrée (< 10 pA) évite d'augmenter le courant d'obscurité de la photodiode.
  • ✓Placez C_f physiquement sur R_f sur le PCB, et pas seulement dans le schéma : la capacité parasite provenant de longues traces de PCB peut provoquer des oscillations parasites à des gains élevés.
  • ✓Pour les TIA à large bande (> 1 MHz), envisagez un circuit intégré d'amplificateur de transimpédance (par exemple, MAX3864) qui intègre l'amplificateur opérationnel et le réseau de rétroaction pour des performances optimisées en haute fréquence.

Erreurs Fréquentes

  • ✗En omettant le condensateur de rétroaction C_f, la capacité de jonction des photodiodes parasites (même 10 pF) crée un pic de résonance avec R_f qui peut osciller ; ajoutez toujours C_f.
  • ✗Utilisation d'un amplificateur opérationnel lent (< 1 MHz GBW) : la bande passante TIA est réglée par min (1/ (2πR_FC_F), GBW/Noise_gain) ; un amplificateur opérationnel lent limite la bande passante bien en dessous du seuil RC.
  • ✗Choisir R_f trop grand pour la bande passante souhaitée : 1 MΩ avec 10 pF C_f ne donne que 15,9 kHz BW ; vérifiez le produit RC avant de finaliser R_f.

Foire Aux Questions

En mode photoconducteur (polarisation inverse), la capacité de jonction des photodiodes est minimisée et la linéarité est maximisée. L'amplificateur opérationnel TIA maintient la cathode à la terre virtuelle (0 V), fournissant une polarisation inverse si l'anode est à la terre, tandis que le photocourant circule dans la résistance de rétroaction. La polarisation nulle ou inverse réduit également le courant d'obscurité par rapport à la polarisation directe.
En mode photovoltaïque (polarisation nulle), la photodiode agit comme une source de courant avec un très faible courant d'obscurité, ce qui est idéal pour les applications de précision à faible éclairage. En mode photoconducteur (polarisation inverse, jusqu'à -5 V généralement), la capacité de jonction est réduite, ce qui donne une réponse plus rapide et une meilleure linéarité, au prix d'un courant d'obscurité légèrement plus élevé. Les TIA font généralement fonctionner la photodiode avec une polarisation nulle ou presque (masse virtuelle).
NEP = courant de bruit/réactivité. Le bruit de courant référencé en entrée est i_n = E_n_r/R_f = √ (4kT/r_F) A/√ Hz. Divisez par la sensibilité de la photodiode (A/W) pour obtenir la NEP en W/√ Hz. Un NEP inférieur signifie que le TIA peut détecter des signaux lumineux plus faibles.

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