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フォトダイオードトランスインピーダンスアンプ

フォトダイオード信号調整のためのトランスインピーダンスアンプ出力電圧、帯域幅、ノイズを計算します。

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公式

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

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

仕組み

トランスインピーダンスアンプ (TIA) は、フォトダイオードの電流出力を使用可能な電圧に変換します。オペアンプはフォトダイオードを仮想グランド（ゼロバイアス、暗電流を最小限に抑える）に保持し、フィードバック抵抗R_fはゲインをV_out = i_pH × R_fに設定します。-3 dB帯域幅はフィードバックRCネットワーク（BW = 1/（2π × R_f × C_f）によって制限されます。ここで、C_fは安定性のためにR_fと並列に追加されたフィードバックコンデンサです。C_fがないと、合計入力容量（フォトダイオード接合+オペアンプ入力）によってピーキングまたは発振が発生する可能性があります。適切な設計ルールは、ノイズ・ゲイン帯域幅をオペアンプのゲイン帯域幅積と同じ値に設定することです。つまり、C_f ≥ √ (C_in/ (2π × GBW × R_f)) です。高ゲインTIAの主要なノイズ源は、R_f: e_n = √ (4ktr_F) によるジョンソンノイズで、ノイズのスペクトル密度は nV/√Hz 単位になります。R_fを選択するには、帯域幅とノイズ (R_fが高い→出力電圧が高い) と利得 (R_fが高い→出力電圧が高いほど、帯域幅全体にわたって積分されるジョンソン・ノイズが高い) とトレードオフする必要があります。

計算例

問題：フルスケール電流が5μAのフォトダイオード用のTIAを設計します。ターゲット出力は 1 V フルスケール、帯域幅は 10 kHz 以上です。どのような R_f と C_f が必要ですか?
解決策:
1。必要なゲイン: R_f = V_out/i_pH = 1 V/ (5×10A) = 200 kΩ
2.10 kHz 帯域幅の最大 C_f: C_f = 1/ (2π × 200×10³ × 10× 10³) = 79.6 pF → 68 pF (標準) を使用
3.R_f = 200 kΩ でのジョンソンノイズ: e_n = √ (4 × 1.38×10²³ × 293 × 200×10³) × 10= 57.5 nV/√Hz
4.オペアンプのGBWをチェック: GBW ≥ BW × R_F/R_IN が必要です。1 MHz GBW 以上のオペアンプを選択してください
結果: R_f = 200 kΩ、C_f = 68 pF、GBW が 1 MHz 以上のオペアンプ (OPA657 や TLV2372 など) を使用してください。

実践的なヒント

  • ✓最高のノイズ性能を得るには、FET入力オペアンプ（OPA657、AD8065など）を使用してください。入力バイアス電流が低い（10pA未満）ため、フォトダイオードの暗電流が増えるのを防ぎます。
  • ✓回路図だけでなく、PCB上のr_fの両端にC_fを物理的に配置します。長いPCBトレースから浮遊容量が多いと、高ゲインで寄生発振が発生する可能性があります。
  • ✓広帯域 (1MHz以上) のTIAの場合は、オペアンプとフィードバックネットワークを統合して高周波性能を最適化するトランスインピーダンスアンプIC (MAX3864など) を検討してください。

よくある間違い

  • ✗フィードバックコンデンサC_fを省略すると、寄生フォトダイオードの接合容量（10pFでも）によってR_fと共振ピークが発生し、発振する可能性があります。必ずC_fを加算してください。
  • ✗低速オペアンプ（1 MHz GBW未満）を使用する場合 — TIA帯域幅は最小値（1/（2π R_FC_f）、GBW/ノイズゲイン）で設定されます。低速オペアンプは、帯域幅をRCカットオフよりはるかに低く制限します。
  • ✗希望する帯域幅に対してR_fが大きすぎる — 10 pF C_fで1MΩとした場合、帯域幅は15.9kHzしか得られません。R_fを確定する前にRC積を確認してください。

よくある質問

光伝導モード (逆バイアス) では、フォトダイオードの接合容量が最小限に抑えられ、直線性が最大になります。TIAオペアンプはカソードを仮想グランド (0 V) に保持し、アノードがグランドにある場合は逆バイアスを供給し、光電流はフィードバック抵抗に流れ込みます。また、ゼロバイアスまたは逆バイアスでは、順方向バイアスに比べて暗電流が減少します。
太陽光発電モード（ゼロバイアス）では、フォトダイオードは暗電流が非常に少ない電流源として機能するため、低光量の高精度アプリケーションに最適です。光伝導モード (逆バイアス、通常は−5 V まで) では、接合容量が小さくなるため、暗電流がわずかに大きくなりますが、応答が速くなり、直線性が向上します。TIAは通常、フォトダイオードをゼロバイアスまたはそれに近いバイアス (仮想グランド) で動作させます。
NEP = ノイズ電流/応答性入力換算電流ノイズは i_n = e_n_r /R_f = √ (4kt/R_f) A/√Hz です。フォトダイオードの感度 (A/W) で割ると、NEP は W/√Hz 単位で求められます。NEPが低いほど、TIAは弱い光信号を検出できます。

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