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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

フォトダイオード回路のTIA出力電圧、帯域幅、およびノイズを計算します。トランスインピーダンスアンプのゲインとフィードバックのコンポーネントを設計します。

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公式

Vout=Iph×Rf,BW=1/(2π×Rf×Cf)V_out = I_ph × R_f, BW = 1/(2π × R_f × C_f)
R_f— フィードバック抵抗 (Ω)
C_f— フィードバックキャパシタンス (F)

仕組み

このカリキュレータは、光通信エンジニア、レーザーパワーメータ設計者、科学機器開発者にとって不可欠な、フォトダイオード信号調整用のトランスインピーダンスアンプ (TIA) を設計します。TIAはフォトダイオードの光電流をゲインRf: Vout = Iph * Rfで電圧に変換します。ここで、Iphは光電流 (通常は1nA～1mA)、Rfはフィードバック抵抗 (1kOhm～10GOhm) です。オペアンプはフォトダイオードを仮想グランドに保持し、接合容量 (通常 Cj = 10 ～ 100 pF) と暗電流を最小限に抑えます。帯域幅はフィードバックネットワークによって制限されます。BW = 1/ (2*pi*Rf*Cf)。ここで、Cfは安定性に必要なフィードバックコンデンサです。Cfがないと、入力容量の合計によってピーキングや発振が発生します。アナログ・デバイセズ MT-059 による安定性基準は Cf >= sqrt (Cin/ (2*pi*GBW*Rf)) です。主なノイズは Rf からのジョンソンノイズです。k = 1.380649e-23 J/K (正確な SI、2019 年 BIPM 再定義) を使用した場合、25C で en = sqrt (4*k*t*Rf) = 4.07*sqrt (Rf) nV/rtHz から発生するノイズです。フォトダイオードの応答性とNEPの測定方法は、IEC 60747-5-5（半導体デバイス—オプトエレクトロニクスデバイス）およびNISTテクニカルノート2064（光パワー測定）に従います。TIA設計のベスト・プラクティスは、アナログ・デバイセズのMT-059（高速アンプのトランスインピーダンスに関する考慮事項）に記載されています。1 MΩの Rf では 129 nV/rtHz のノイズ・スペクトル密度が発生します。ノイズ等価電力 (NEP) = イン/応答性、最適化された TIA では通常 1 ～ 100 fW/rtHz。

計算例

問題：0.1～10uWの光パワーを検出できるように、浜松製S5972 PINフォトダイオード（Cj = 10 pF、850 nmでの応答性0.65 A/W）用のTIAを設計します。1 V 出力は 10 uW、帯域幅が 100 kHz 以上であることを目標とします。

解決策: 1。フルスケール電流:Iph = 10 uW * 0.65 A/W = 6.5 uA

  1. 必要なゲイン:Rf = Vout/Iph = 1V/6.5 uA = 154 kOhm (150 kOhm 標準を使用)
  2. 100 kHz 帯域幅での最大 Cf: Cf = 1/ (2*pi*150k*100k) = 10.6 pF (10 pF を使用)
  3. OPA657 (GBW = 1.6 GHz、Cin = 4 pF) で安定性を確認してください。
Cf_min = sqrt ((10+4) pF/(2*pi*1.6e9*150k)) = sqrt (9.3e-24) = 3.05 pF < 10 pF (安定)
  1. ジョンソンノイズ:en = sqrt (4*1.38e-23*298*150e3) = 49.8 nV/rtHz
  2. 電流ノイズ: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 (素晴らしい)

結果:Rf = 150 kOhm、Cf = 10 pF、OPA657 を使用してください。帯域幅は 106 kHz、NEP は 0.51 fW/rtHz、ダイナミックレンジは 100:1 (40 dB) です。

実践的なヒント

  • ✓最良のノイズ性能を得るには、FET入力オペアンプ（OPA657、AD8065、LTC6268）を使用してください。テキサス・インスツルメンツのSBAA060によると、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（通常1～100nA）を増やす必要がありません。
  • ✓配線を介して接続せずに、回路基板上のRfの両端にCfを物理的に配置します。10 mm PCBのトレース (0.5pF) からの浮遊容量は、1MOhmを超えるゲインで寄生発振を引き起こす可能性があります
  • ✓広帯域 (10MHz以上) のTIAについては、最適化されたオペアンプとフィードバックネットワークを組み合わせて安定性と100MHz以上の帯域幅を保証する統合TIA IC (MAX3864、AD8015) 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Cfを省略：寄生接合容量（10～100 pF）によってRfで共振ピークが生じる。アナログ・デバイセズによると、1MOhmのRfで10 pF Cjでも、Cfなしで16kHzで発振する（AN-1112）
  • ✗低速オペアンプ（<1 MHz GBW）の使用：TIA帯域幅は最小（1/（2*pi*Rf*Cf）、 GBW/noise_gain); a、ノイズゲインが100倍の1 MHzオペアンプは、Rf*Cfに関係なく帯域幅を10 kHzに制限します
  • ✗帯域幅に対してRfが大きすぎる：1pFのCfで10MOhmとすると、帯域幅はわずか16kHzになります。部品の値を確定する前に、Rf*Cf積が帯域幅要件を満たしていること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、接合容量が最小限に抑えられ（C = C0/sqrt（1+V/Vbi）に従い、逆電圧とともにCjが減少します）、直線性が最大化されます。TIAオペアンプはカソードを仮想グランド (0V) に保持し、アノードが負電源またはグランドに接続されるとわずかな逆バイアスが発生します。ゼロまたはわずかな逆バイアスにより、高速応答を維持しながら暗電流 (10Cごとに2倍になり、通常は浜松のデータシートによると25℃で1nA) を最小限に抑えます。光レベルが非常に低い場合、太陽光発電モード (ゼロバイアス) は暗電流をフェムトアンペアまで低減します。
光起電力モード (ゼロバイアス) は、フォトダイオードを最小の暗電流 (プレミアムSiフォトダイオードの場合は1pA未満) で電流源として動作するため、科学機器のpWレベルの検出に最適です。光伝導モード (逆バイアス、-5～-90V) では、接合容量が2～10倍減少し (応答が速く)、高光電流の場合のリニアリティが向上しますが、暗電流は10～100倍高くなります。浜松テクニカルノートによると、TIAは通常、ノイズと帯域幅のトレードオフを最適化するために、ゼロバイアス（仮想グランド）またはわずかな逆バイアスで動作します。
NEP = 合計入力換算電流ノイズ/フォトダイオードの応答性電流ノイズには、Rf (in_Rf = sqrt(4kT/Rf)) からのジョンソンノイズ、電流に変換されたオペアンプの電圧ノイズ ( (in_vn = en*2*pi*F*Cin)、およびオペアンプの電流ノイズ (in_op, (FETオペアンプの場合は通常1-10 fA/rtHz) が含まれます。合計: in_total = sqrt(in_Rf^2 + in_vn^2 + in_op^2). 摂氏25度で150キロオームのRfの場合: in_Rf = 0.33 fA/rtHz。A/W 応答が 0.65 の場合、NEP = 0.51 fW/rtHz です。NISTハンドブック44によると、NEPが低いということは、弱い光信号に対する感度が高いということです。

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