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Sensor

Amplificateur transimpédance à photodiode

Calculez la tension de sortie, la bande passante et le bruit TIA pour les circuits à photodiodes. Concevez des composants de gain et de feedback pour les amplificateurs de transimpédance.

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Formule

Vout=Iph×Rf,BW=1/(2π×Rf×Cf)V_out = I_ph × R_f, BW = 1/(2π × R_f × C_f)
R_f— Résistance au feedback (Ω)
C_f— Capacité de rétroaction (F)

Comment ça marche

Ce calculateur conçoit des amplificateurs de transimpédance (TIA) pour le conditionnement du signal des photodiodes, essentiels pour les ingénieurs en communication optique, les concepteurs de wattmètres laser et les développeurs d'instruments scientifiques. Un TIA convertit le photocourant de la photodiode en tension avec un gain Rf : Vout = Iph * Rf, où Iph est le photocourant (généralement 1 nA à 1 mA) et Rf est la résistance de rétroaction (1 kOhm à 10 gOhm). L'amplificateur opérationnel maintient la photodiode à la terre virtuelle, minimisant ainsi la capacité de jonction (Cj = 10 à 100 pF généralement) et le courant d'obscurité. La bande passante est limitée par le réseau de rétroaction : BW = 1/ (2*Pi*RF*Cf), où Cf est le condensateur de rétroaction requis pour la stabilité. Sans Cf, la capacité d'entrée totale provoque un pic ou une oscillation. Le critère de stabilité pour Analog Devices MT-059 est Cf >= sqrt (Cin/ (2*Pi*GBW*RF)). Le bruit dominant est le bruit de Johnson provenant de Rf : en = sqrt (4*K*T*RF) = 4,07*sqrt (Rf) nV/rTHz à 25 °C en utilisant k = 1,380649e-23 J/K (SI exact, redéfinition du BIPM 2019). La méthodologie de mesure de la sensibilité des photodiodes et de la NEP est conforme à la norme IEC 60747-5-5 (Dispositifs à semi-conducteurs — dispositifs optoélectroniques) et à la note technique 2064 du NIST (Mesure de la puissance optique). Les meilleures pratiques de conception TIA sont documentées dans Analog Devices MT-059 (Considérations relatives à la transimpédance pour les amplificateurs à haute vitesse). Un Rf de 1 mOhm produit une densité spectrale de bruit de 129 nV/rTHz. Puissance équivalente au bruit (NEP) = In/sensibilité, généralement de 1 à 100 fW/rTHz pour des TIA optimisés.

Exemple Résolu

Problème : Concevez un TIA pour une photodiode PIN Hamamatsu S5972 (Cj = 10 pF, réactivité 0,65 A/W à 850 nm) afin de détecter une puissance optique de 0,1 à 10 uW. Sortie cible de 1 V à 10 uW, BW >= 100 kHz.

Solution :

  1. Courant à pleine échelle : Iph = 10 uW * 0,65 A/W = 6,5 uA
  2. Gain requis : Rf = Vout/Iph = 1 V/6,5 uA = 154 kOhm (utilisez la norme 150 kOhm)
  3. Cf maximum pour 100 kHz BW : Cf = 1/ (2*pi*150k*100k) = 10,6 pF (utilisez 10 pF)
  4. Vérifiez la stabilité avec OPA657 (GBW = 1,6 GHz, Cin = 4 pF) :
CF_min = carré ((10+4) pF/(2*pi*1,6e9*150 k)) = carré (9,3e-24) = 3,05 pF < 10 pF (stable)
  1. Bruit de Johnson : en = sqrt (4*1,38e-23*298*150e3) = 49,8 nV/RTHz
  2. Bruit actuel : entrée = 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 (excellent)

Résultat : utilisez Rf = 150 kOhm, Cf = 10 pF, OPA657. La bande passante est de 106 kHz, le NEP est de 0,51 fW/rTHz, la plage dynamique est de 100:1 (40 dB).

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez des amplificateurs opérationnels à entrée FET (OPA657, AD8065, LTC6268) pour de meilleures performances en matière de bruit ; un faible courant de polarisation d'entrée (<10 pA) évite d'ajouter du courant d'obscurité à la photodiode (1 à 100 nA généralement) conformément à la norme Texas Instruments SBAA060
  • ✓Placez Cf physiquement à travers Rf sur le PCB, et non connecté par des traces ; la capacité parasite provenant de traces de PCB de 10 mm (0,5 pF) peut provoquer une oscillation parasite à des gains supérieurs à 1 mOhm
  • ✓Pour les TIA à large bande (>10 MHz), pensez aux circuits intégrés TIA intégrés (MAX3864, AD8015) qui combinent un amplificateur opérationnel optimisé et un réseau de feedback pour une stabilité garantie et une bande passante de plus de 100 MHz

Erreurs Fréquentes

  • ✗Condensateur à contre-réaction Cf : la capacité de jonction parasite (10 à 100 pF) crée un pic de résonance avec Rf ; même 10 pF Cj avec 1 mOhm Rf oscillent à 16 kHz sans Cf selon Analog Devices AN-1112
  • ✗Utilisation d'un amplificateur opérationnel lent (<1 MHz GBW) : la bande passante TIA est minimale (1/ (2*Pi*RF*Cf), GBW/Noise_Gain) ; un amplificateur opérationnel de 1 MHz avec des limites de gain de bruit 100x BW à 10 kHz indépendamment de Rf*Cf
  • ✗Choisir un Rf trop grand pour la bande passante : 10 mOhm avec 1 pF Cf ne donne que 16 kHz de bande passante ; vérifiez que le produit Rf*Cf répond aux exigences de bande passante avant de finaliser les valeurs des composants

Foire Aux Questions

En mode photoconducteur (polarisation inverse), la capacité de jonction est minimisée (Cj diminue avec la tension inverse par C = C0/sqrt (1+V/Vbi)) et la linéarité est maximisée. L'amplificateur opérationnel TIA maintient la cathode à la terre virtuelle (0 V), fournissant une légère polarisation inverse si l'anode est connectée à une alimentation négative ou à la terre. Une polarisation inverse nulle ou légère minimise le courant d'obscurité (double toutes les 10 °C, généralement 1 nA à 25 °C selon la fiche technique Hamamatsu) tout en maintenant une réponse rapide. Pour des niveaux d'éclairage très faibles, le mode photovoltaïque (polarisation nulle) réduit le courant d'obscurité à des femtoampères.
Le mode photovoltaïque (polarisation nulle) fait fonctionner la photodiode comme source de courant avec un courant d'obscurité minimal (<1 pA pour les photodiodes Si haut de gamme) ; idéal pour la détection du niveau PW dans les instruments scientifiques. Le mode photoconducteur (polarisation inverse, -5 à -90 V) réduit la capacité de jonction de 2 à 10 fois (réponse plus rapide) et améliore la linéarité pour un photocourant élevé, au prix d'un courant d'obscurité 10 à 100 fois plus élevé. Les TIA fonctionnent généralement avec une polarisation nulle (masse virtuelle) ou une légère polarisation inverse pour un compromis optimal entre bruit et bande passante, conformément à la note technique de Hamamatsu.
NEP = bruit de courant total référé à l'entrée/réactivité de la photodiode. Le bruit actuel inclut : le bruit de Johnson provenant de Rf (In_RF = sqrt (4kT/RF)), le bruit de tension de l'amplificateur opérationnel converti en courant (in_vn = en*2*pi*F*cin) et le bruit de courant de l'amplificateur opérationnel (in_op, généralement de 1 à 10 FA/rTHz pour les amplificateurs opérationnels FET). Total : in_total = sqrt (IN_RF^2 + in_vn^2 + in_op^2). Pour 150 kOhm Rf à 25 °C : In_RF = 0,33 FA/rTHz. Avec une sensibilité A/W de 0,65, NEP = 0,51 fW/rTHz. Une NEP inférieure signifie une sensibilité à des signaux lumineux plus faibles, conformément au manuel 44 du NIST.

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