Amplificador de Transimpedância para Fotodiodo

Calcula tensão de saída, largura de banda e ruído do amplificador de transimpedância para condicionamento de sinal de fotodiodo.

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Fórmula

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

R_f — Feedback resistance (Ω)

C_f — Feedback capacitance (F)

Como Funciona

Um amplificador de transimpedância (TIA) converte a saída de corrente de um fotodiodo em uma voltagem utilizável. O amplificador operacional mantém o fotodiodo em terra virtual (polarização zero, minimizando a corrente escura), e o resistor de feedback R_f define o ganho: V_out = I_ph × R_f. A largura de banda de −3 dB é limitada pela rede RC de feedback: BW = 1/ (2π × R_f × C_f), onde C_f é o capacitor de feedback adicionado em paralelo com R_f para estabilidade. Sem C_f, a capacitância total de entrada (junção de fotodiodo+entrada de amplificador operacional) pode causar picos ou oscilações. Uma boa regra de design é definir a largura de banda de ganho de ruído igual ao produto de ganho de largura de banda do amplificador operacional: C_f ≥ √ (C_in/(2π × GBW × R_f)). A fonte de ruído dominante em TIAs de alto ganho é o ruído Johnson de R_f: e_n = √ (4Ktr_f), fornecendo uma densidade espectral de ruído em nV/√Hz. Escolher R_f envolve trocar o ganho (maior R_f → mais tensão de saída) com largura de banda e ruído (maior R_f → menor BW, maior ruído Johnson integrado à largura de banda).

Exemplo Resolvido

Problema: projete um TIA para um fotodiodo com 5 μA de corrente em grande escala. Saída alvo de 1 V em escala completa e BW ≥ 10 kHz. Quais R_f e C_f são necessários?

Solução:

1. Ganho necessário: R_f = V_out/I_ph = 1 V/(5 × 10․ A) = 200 kΩ

2. C_f máximo para 10 kHz BW: C_f = 1/ (2π × 200 × 10³ × 10 × 10³) = 79,6 pF → use 68 pF (padrão)

3. Ruído Johnson em R_f = 200 kΩ: e_n = √ (4 × 1,38 × 10․ ²³ × 293 × 200 × 10³) × 10․ = 57,5 nV/√Hz

4. Verifique o amplificador operacional GBW: precisa de GBW ≥ BW × R_f/R_in, escolha um amplificador operacional com ≥ 1 MHz GBW

Resultado: Use R_f = 200 kΩ, C_f = 68 pF, amplificador operacional com GBW ≥ 1 MHz (por exemplo, OPA657 ou TLV2372).

Dicas Práticas

✓Use um amplificador operacional de entrada FET (por exemplo, OPA657, AD8065) para obter o melhor desempenho de ruído — a baixa corrente de polarização de entrada (< 10 pA) evita aumentar a corrente escura do fotodiodo.
✓Coloque C_f fisicamente em R_f no PCB, não apenas no esquema - a capacitância dispersa de traços longos de PCB pode causar oscilação parasitária com altos ganhos.
✓Para TIAs de banda larga (> 1 MHz), considere um amplificador de transimpedância IC (por exemplo, MAX3864) que integra o amplificador operacional e a rede de feedback para otimizar o desempenho de alta frequência.

Erros Comuns

✗Omitindo o capacitor de feedback C_f — a capacitância da junção do fotodiodo parasita (mesmo 10 pF) cria um pico ressonante com R_f que pode oscilar; sempre adicione C_f.
✗Usando um amplificador operacional lento (< 1 MHz GBW) — a largura de banda TIA é definida em min (1/ (2π R_FC_f), GBW/NOISE_GAIN); um amplificador operacional lento limita o BW muito abaixo do limite de RC.
✗Escolher R_f muito grande para a largura de banda desejada — 1 MΩ com 10 pF C_f fornece apenas 15,9 kHz BW; verifique o produto RC antes de finalizar o R_f.

Perguntas Frequentes

Por que o fotodiodo tem polarização reversa no aterramento virtual e não direcionado para frente?

No modo fotocondutor (polarização reversa), a capacitância da junção do fotodiodo é minimizada e a linearidade é maximizada. O amplificador operacional TIA mantém o cátodo no aterramento virtual (0 V), fornecendo polarização reversa se o ânodo estiver no aterramento, enquanto a fotocorrente flui para o resistor de feedback. A polarização zero ou reversa também reduz a corrente escura em comparação com a polarização direta.

Qual é a diferença entre o modo fotovoltaico e o fotocondutor?

No modo fotovoltaico (polarização zero), o fotodiodo atua como uma fonte de corrente com corrente escura muito baixa — ideal para aplicações de precisão e baixa luminosidade. No modo fotocondutor (polarização reversa, normalmente até −5 V), a capacitância da junção é reduzida, dando uma resposta mais rápida e melhor linearidade, ao custo de uma corrente escura ligeiramente maior. Os TIAs normalmente operam o fotodiodo com polarização zero ou próxima a zero (terra virtual).

Como faço para calcular a potência equivalente a ruído (NEP) TIA?

NEP = corrente de ruído/responsividade. O ruído de corrente referido à entrada é i_n = E_n_r/R_f = √ (4kT/r_f) A/√Hz. Divida pela responsividade do fotodiodo (A/W) para obter NEP em W/√Hz. Um NEP mais baixo significa que o TIA pode detectar sinais de luz mais fracos.

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