포토다이오드 트랜스임피던스 앰프

포토다이오드 신호 컨디셔닝을 위한 트랜스임피던스 앰프 출력 전압, 대역폭 및 노이즈를 계산합니다.

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공식

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

R_f — Feedback resistance (Ω)

C_f — Feedback capacitance (F)

작동 방식

트랜스임피던스 증폭기 (TIA) 는 포토다이오드의 전류 출력을 사용 가능한 전압으로 변환합니다.연산 증폭기는 포토다이오드를 가상 접지 (바이어스 제로, 암전류 최소화) 로 유지하고 피드백 저항 R_f는 게인을 설정합니다. v_out = i_pH × R_f. −3dB 대역폭은 피드백 RC 네트워크에 의해 제한됩니다. 여기서 C_f는 R_f와 병렬로 추가된 피드백 커패시터입니다. 안정성.c_f가 없으면 총 입력 커패시턴스 (포토다이오드 접합+연산 증폭기 입력) 로 인해 피킹 또는 발진이 발생할 수 있습니다.노이즈 게인 대역폭을 연산 증폭기 게인 대역폭 곱인 C_f ≥ √ (C_in/ (2π × GBW × R_f)) 와 동일하게 설정하는 것이 좋습니다.고이득 TIA의 주요 노이즈 소스는 r_f: e_n = √ (4ktr_f) 의 존슨 노이즈로, 노이즈 스펙트럼 밀도는 nV/√Hz 단위입니다.R_f를 선택하려면 대역폭과 잡음 (높은 R_f → 더 높은 출력 전압) 과 이득 (높은 R_f → 더 높은 BW, 대역폭에 걸쳐 더 높은 Johnson 잡음이 통합됨) 을 상쇄해야 합니다.

계산 예제

문제: 풀 스케일 전류가 5μA인 포토다이오드용 TIA를 설계합니다.목표 출력은 풀 스케일 1V, 대역폭 ≥ 10kHz.어떤 R_f와 c_f가 필요한가요?

해결 방법:

1.필요한 게인: R_f = V_OUT/i_pH = 1V/ (5×10A) = 200 kΩ

2.10kHz 대역폭의 최대 C_f: C_f = 1/ (2π × 200×10³ × 10×10³) = 79.6pF → 68pF 사용 (표준)

3.R_f = 200 kΩ 에서의 존슨 노이즈: e_n = √ (4 × 1.38×10³ × 293 × 200×10³) × 10= 57.5 nV/√Hz

4.연산 증폭기 GBW 확인: GBW ≥ BW × R_F/R_in이 필요합니다. 1MHz GBW 이상인 연산 증폭기를 선택하세요.

결과: R_f = 200kΩ, C_f = 68pF, GBW ≥ 1MHz의 연산 증폭기 (예: OPA657 또는 TLV2372) 를 사용하십시오.

실용적인 팁

✓최상의 노이즈 성능을 위해 FET 입력 연산 증폭기 (예: OPA657, AD8065) 를 사용하십시오. 낮은 입력 바이어스 전류 (< 10pA) 는 포토다이오드의 암전류에 추가되는 것을 방지합니다.
✓C_f를 회로도뿐만 아니라 PCB의 R_f에 물리적으로 배치하십시오. 긴 PCB 트레이스의 표유 커패시턴스는 높은 게인에서 기생 진동을 일으킬 수 있습니다.
✓광대역 (> 1MHz) TIA의 경우 최적화된 고주파수 성능을 위해 연산 증폭기와 피드백 네트워크를 통합하는 트랜스임피던스 증폭기 IC (예: MAX3864) 를 고려해 보십시오.

흔한 실수

✗피드백 커패시터 C_f (기생 포토다이오드 접합 커패시턴스 (10pF 포함) 를 생략하면 진동할 수 있는 r_f의 공진 피크가 생성되므로 항상 C_f를 추가하십시오.
✗저속 연산 증폭기 사용 (< 1MHz GBW) — TIA 대역폭은 min (1/ (2πR_FC_f), GBW/잡음_게인) 으로 설정됩니다. 연산 증폭기가 느리면 대역폭이 RC 컷오프보다 훨씬 낮습니다.
✗원하는 대역폭에 비해 너무 큰 r_f를 선택하면 (10pF c_f에서 1MΩ) 대역폭은 15.9kHz 대역폭에 불과합니다. R_f를 확정하기 전에 RC 제품을 검증하십시오.

자주 묻는 질문

포토다이오드가 가상 접지에서 순방향 바이어스가 아닌 역편향된 이유는 무엇입니까?

광전도 모드 (역 바이어스) 에서는 포토다이오드 접합 커패시턴스가 최소화되고 선형성이 최대화됩니다.TIA 연산 증폭기는 음극을 가상 접지 (0V) 로 유지하여 양극이 접지에 있을 경우 광전류가 피드백 저항으로 흐르는 동안 역방향 바이어스를 제공합니다.또한 제로 또는 역방향 바이어스는 순방향 바이어스에 비해 암전류를 감소시킵니다.

광전지 모드와 광전도 모드의 차이점은 무엇입니까?

광전지 모드 (제로 바이어스) 에서 포토다이오드는 암전류가 매우 낮은 전류원 역할을 하므로 저조도 정밀 애플리케이션에 이상적입니다.광전도 모드 (역방향 바이어스, 일반적으로 최대 -5V) 에서는 접합 커패시턴스가 감소하여 암전류가 약간 높아지지만 응답 속도가 빨라지고 선형성이 향상됩니다.TIA는 일반적으로 제로 바이어스 (가상 접지) 에서 포토다이오드를 작동시킵니다.

TIA 노이즈 등가 전력 (NEP) 을 어떻게 계산합니까?

NEP = 노이즈 전류/응답성입력 기준 전류 노이즈는 i_n = e_n_R/r_f = √ (4kt/R_f) A/√Hz입니다.포토다이오드 응답성 (A/W) 으로 나누면 W/√Hz 단위의 NEP를 구할 수 있습니다.NEP가 낮을수록 TIA가 약한 광 신호를 감지할 수 있습니다.

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