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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— 피드백 저항성 (Ω)

C_f— 피드백 커패시턴스 (F)

작동 방식

이 계산기는 광통신 엔지니어, 레이저 파워 미터 설계자 및 과학 기기 개발자에게 필수적인 포토다이오드 신호 컨디셔닝을 위한 트랜스임피던스 증폭기 (TIA) 를 설계합니다.TIA는 게인 Rf: Vout = Iph * Rf를 사용하여 포토다이오드 광전류를 전압으로 변환합니다. 여기서 Iph는 광전류 (일반적으로 1nA~1mA) 이고 Rf는 피드백 저항 (1kOhm ~ 10kOhm) 입니다.연산 증폭기는 포토다이오드를 가상 접지에 유지하여 접합 커패시턴스 (Cj = 일반적으로 10-100pF) 와 암전류를 최소화합니다.대역폭은 피드백 네트워크에 의해 제한됩니다. 즉, BW = 1/ (2*PI*RF*cf), 여기서 Cf는 안정성에 필요한 피드백 커패시터입니다.Cf가 없으면 총 입력 커패시턴스로 인해 피킹 또는 발진이 발생합니다.아날로그 디바이스 MT-059 기준 안정성 기준은 Cf >= sqrt (Cin/ (2*PI*GBW*RF)) 입니다.지배적인 잡음은 k = 1.380649e-23 J/K (정확한 SI, 2019 BIPM 재정의) 를 사용하여 25°C에서 Rf: en = sqrt (4*k*T*rf) = 4.07*sqrt (Rf) NV/Rthz에서 발생하는 존슨 잡음입니다.포토다이오드 응답성 및 NEP 측정 방법은 IEC 60747-5-5 (반도체 장치 — 광전자 장치) 및 NIST 기술 노트 2064 (광학 전력 측정) 를 따릅니다.TIA 설계 모범 사례는 Analog Devices MT-059 (고속 증폭기의 트랜스임피던스 고려 사항) 에 문서화되어 있습니다.1mOhm Rf는 129nV/RTHz 노이즈 스펙트럼 밀도를 생성합니다.노이즈 등가 전력 (NEP) = 입력/응답성, 최적화된 TIA의 경우 일반적으로 1~100FW/RTHz입니다.

계산 예제

문제: 0.1-10uW의 광학 전력을 감지하기 위해 하마마쓰 S5972 PIN 포토다이오드 (Cj = 10pF, 응답성 850nm에서 0.65A/W) 에 대한 TIA를 설계하십시오.10uW, 대역폭 >= 100kHz에서 1V 출력을 목표로 하십시오.

해결 방법: 1.전체 전류: 이온 = 10kW * 0.65 A/W = 6.5uA 2.필요한 게인: Rf = Vout/Iph = 1V/6.5 uA = 154kOhm (표준 150kOhm 사용) 3.100kHz BW의 최대 Cf: Cf = 1/ (2*pi*150k*100k) = 10.6pF (10pF 사용) 4.OPA657 (GBW = 1.6GHz, Cin = 4pF) 로 안정성을 확인하세요. CF_min = sqrt ((10+4) pF/ (2*pi*1.6e9*150k)) = sqrt (9.3e-24) = 3.05 pF < 10pF (안정적) 5.존슨 노이즈: en = sqrt (4*1.38e-23*298*150e3) = 49.8 nV/RTHz 6.전류 노이즈: 입력 = en/RF = 49.8 nV/RTHz/150kHm = 0.33 Fa/RTHz 7.NEP = 0.33 FA/RTHz/0.65 A/W = 0.51 FW/RTHz (우수)

결과: Rf = 150kOhm, Cf = 10pF, OPA657 사용.대역폭은 106kHz, NEP는 0.51FW/RTHz, 다이나믹 레인지는 100:1 (40dB) 입니다.

실용적인 팁

✓최상의 노이즈 성능을 위해 FET 입력 연산 증폭기 (OPA657, AD8065, LTC6268) 를 사용하십시오. 낮은 입력 바이어스 전류 (<10pA) 는 텍사스 인스트루먼트의 포토다이오드 암전류 (일반적으로 1~100nA) 에 추가되는 것을 방지합니다. SBAA060
✓Cf를 트레이스를 통해 연결하지 않고 PCB의 Rf를 물리적으로 가로질러 배치하십시오. 10mm PCB 트레이스 (0.5pF) 의 표유 커패시턴스가 1mOhm 이상의 게인에서 기생 진동을 일으킬 수 있음
✓광대역 (>10MHz) TIA의 경우 안정성과 100MHz+ 대역폭을 보장하기 위해 최적화된 연산 증폭기와 피드백 네트워크를 결합하는 통합 TIA IC (MAX3864, AD8015) 를 고려해 보십시오.

흔한 실수

✗피드백 커패시터 Cf 생략: 기생 접합 커패시턴스 (10-100pF) 는 Rf를 사용하여 공진 피크를 생성합니다. 아날로그 디바이스의 경우 1mOhm Rf의 경우 10pF Cj도 Cf 없이 16kHz로 진동합니다. AN-1112
✗저속 연산 증폭기 사용 (<1MHz GBW): TIA 대역폭은 최소 (1/ (2*PI*RF*cf), GBW/노이즈_게인) 이며, 노이즈 게인이 100배인 1MHz 연산 증폭기는 Rf*Cf에 관계없이 BW를 10kHz로 제한합니다.
✗대역폭에 비해 너무 큰 Rf를 선택: 10mOhm, 1pF Cf는 16kHz BW만 제공합니다. 구성 요소 값을 확정하기 전에 Rf*Cf 제품이 대역폭 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.

자주 묻는 질문

포토다이오드가 역 바이어스가 아닌 가상 접지에서 작동하는 이유는 무엇입니까?

광전도 모드 (역 바이어스) 에서는 접합 커패시턴스가 최소화되고 (C = C0/sqrt (1+V/Vbi) 당 역 전압으로 Cj 감소) 선형성이 최대화됩니다.TIA 연산 증폭기는 음극을 가상 접지 (0V) 로 유지하므로 양극이 음극 공급 또는 접지에 연결될 경우 약간의 역 바이어스가 발생합니다.역방향 바이어스가 0이거나 약간이면 암전류 (10C마다 두 배로 증가, 일반적으로 하마마쓰 데이터시트당 25°C에서 1nA) 는 빠른 응답을 유지하면서 암전류 (10C마다 두 배로 증가) 를 최소화합니다.광전지 모드 (제로 바이어스) 는 조명 수준이 매우 낮은 경우 펨토앰프로 전달되는 암전류를 감소시킵니다.

광전지 모드와 광전도 모드의 차이점은 무엇입니까?

광전지 모드 (제로 바이어스) 는 최소한의 암전류 (프리미엄 Si 포토다이오드의 경우 1pA 미만) 로 포토다이오드를 전류원으로 작동시켜 과학 기기의 pW 수준 감지에 이상적입니다.광전도 모드 (역 바이어스, -5 ~ -90V) 는 접합 커패시턴스를 2-10배 (더 빠른 응답) 줄이고 높은 광전류에 대한 선형성을 개선하지만 암전류는 10-100배 더 높습니다.하마마쓰 기술 자료에 따르면 TIA는 일반적으로 제로 바이어스 (가상 접지) 또는 약간의 역 바이어스로 작동하여 최적의 노이즈 대역폭 트레이드오프를 제공합니다.

TIA 노이즈 등가 전력 (NEP) 을 어떻게 계산합니까?

NEP = 총 입력 기준 전류 노이즈/포토다이오드 응답도.전류 잡음에는 Rf의 존슨 잡음 (in_RF = sqrt (4kt/RF)), 전류로 변환된 연산 증폭기 전압 잡음 (in_vn = en*2*PI*F*CIN) 및 연산 증폭기 전류 잡음 (in_op, 일반적으로 FET 연산 증폭기의 경우 1-10 FA/RTHz) 이 포함됩니다.합계: 총계 = 제곱미터 (in_RF^2 + in_vn^2 + in_op^2).25°C에서 150kOhm Rf의 경우: In_RF = 0.33 Fa/RTHz.응답성이 0.65A/W인 경우 NEP는 0.51 FW/RTHz입니다.NIST 핸드북 44에 따르면 NEP가 낮다는 것은 약한 조명 신호에 대한 민감도를 의미합니다.