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Sensor

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

Vout=Iph×Rf,BW=1/(2π×Rf×Cf)V_out = I_ph × R_f, BW = 1/(2π × R_f × C_f)
R_f— Resistência ao feedback (Ω)
C_f— Capacitância de feedback (F)

Como Funciona

Esta calculadora projeta amplificadores de transimpedância (TIAs) para condicionamento de sinal de fotodiodo, essenciais para engenheiros de comunicação óptica, projetistas de medidores de potência a laser e desenvolvedores de instrumentação científica. Um TIA converte fotocorrente de fotodiodo em tensão com ganho Rf: Vout = Iph * Rf, onde Iph é a fotocorrente (normalmente 1 nA a 1 mA) e Rf é a resistência de feedback (1 kOhm a 10 GOhm). O amplificador operacional mantém o fotodiodo em terra virtual, minimizando a capacitância da junção (Cj = 10-100 pF normalmente) e a corrente escura. A largura de banda é limitada pela rede de feedback: BW = 1/ (2*Pi*RF*Cf), onde Cf é o capacitor de feedback necessário para a estabilidade. Sem Cf, a capacitância total de entrada causa picos ou oscilações. O critério de estabilidade por Analog Devices MT-059 é Cf >= sqrt (Cin/ (2*Pi*GBW*RF)). O ruído dominante é o ruído Johnson de Rf: en = sqrt (4*k*t*Rf) = 4,07*sqrt (Rf) nV/rthz a 25C usando k = 1,380649e-23 J/K (SI exato, redefinição BIPM de 2019). A responsividade do fotodiodo e a metodologia de medição de NEP seguem a IEC 60747-5-5 (Dispositivos semicondutores — dispositivos optoeletrônicos) e a Nota Técnica 2064 do NIST (Medição de potência óptica). As melhores práticas de design da TIA estão documentadas em Analog Devices MT-059 (Considerações de transimpedância para amplificadores de alta velocidade). Um Rf de 1 mOhm produz densidade espectral de ruído de 129 nV/RTHz. Potência equivalente a ruído (NEP) = IN/responsividade, normalmente de 1 a 100 FW/RTHz para TIAs otimizados.

Exemplo Resolvido

Problema: projete um TIA para um fotodiodo PIN Hamamatsu S5972 (Cj = 10 pF, responsividade 0,65 A/W a 850 nm) para detectar potência óptica de 0,1-10 uW. Saída alvo de 1V a 10 uW, BW >= 100 kHz.

Solução:

  1. Corrente em grande escala: Iph = 10 uW * 0,65 A/W = 6,5 uA
  2. Ganho necessário: Rf = Vout/Iph = 1V/6,5 uA = 154 kOhm (use o padrão 150 kOhm)
  3. Cf máximo para 100 kHz BW: Cf = 1/ (2*pi*150k*100k) = 10,6 pF (use 10 pF)
  4. Verifique a estabilidade com OPA657 (GBW = 1,6 GHz, Cin = 4 pF):
CF_min = sqrt ((10+4) pF/(2*pi*1,6e9*150k)) = sqrt (9,3e-24) = 3,05 pF < 10 pF (estável)
  1. Ruído Johnson: en = sqrt (4* 1,38e-23* 298* 150e3) = 49,8 nV/RTHz
  2. Ruído atual: 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 (excelente)
Resultado: Use Rf = 150 kOhm, Cf = 10 pF, OPA657. A largura de banda é 106 kHz, o NEP é 0,51 fW/RTHz, a faixa dinâmica é 100:1 (40 dB).

Dicas Práticas

  • ✓Use amplificadores operacionais de entrada FET (OPA657, AD8065, LTC6268) para obter o melhor desempenho de ruído; a baixa corrente de polarização de entrada (<10 pA) evita a adição de corrente escura ao fotodiodo (normalmente de 1 a 100 nA) de acordo com Texas Instruments SBAA060
  • ✓Coloque Cf fisicamente em Rf no PCB, não conectado por meio de traços; a capacitância dispersa de traços de PCB de 10 mm (0,5 pF) pode causar oscilação parasitária em ganhos acima de 1 mOhm
  • ✓Para TIAs de banda larga (>10 MHz), considere ICs TIA integrados (MAX3864, AD8015) que combinam amplificador operacional otimizado e rede de feedback para garantir estabilidade e largura de banda de mais de 100 MHz

Erros Comuns

  • ✗Omitindo o capacitor de feedback Cf: a capacitância da junção parasitária (10-100 pF) cria um pico ressonante com Rf; até 10 pF Cj com 1 mOhm Rf oscila a 16 kHz sem Cf de acordo com dispositivos analógicos AN-1112
  • ✗Usando um amplificador operacional lento (<1 MHz GBW): a largura de banda TIA é mínima (1/ (2*pi*RF*cf), GBW/NOISE_GAIN); um amplificador operacional de 1 MHz com ganho de ruído de 100x limita o BW a 10 kHz, independentemente de Rf*Cf
  • ✗Escolher Rf muito grande para largura de banda: 10 mOhm com 1 pF Cf fornece apenas 16 kHz BW; verifique se o produto Rf*Cf atende aos requisitos de largura de banda antes de finalizar os valores dos componentes

Perguntas Frequentes

No modo fotocondutor (polarização reversa), a capacitância da junção é minimizada (Cj diminui com a tensão reversa por C = C0/sqrt (1+V/Vbi)) e a linearidade é maximizada. O amplificador operacional TIA mantém o cátodo no aterramento virtual (0V), fornecendo uma leve polarização reversa se o ânodo se conectar a uma fonte negativa ou à terra. A polarização reversa zero ou leve minimiza a corrente escura (dobra a cada 10C, normalmente 1 nA a 25C por folha de dados de Hamamatsu) enquanto mantém uma resposta rápida. Para níveis de luz muito baixos, o modo fotovoltaico (polarização zero) reduz a corrente escura para femtoamperes.
O modo fotovoltaico (polarização zero) opera o fotodiodo como uma fonte de corrente com corrente escura mínima (<1 pA para fotodiodos de Si premium); ideal para detecção de nível de PW em instrumentos científicos. O modo fotocondutor (polarização reversa, -5 a -90V) reduz a capacitância da junção em 2-10x (resposta mais rápida) e melhora a linearidade para alta fotocorrente, ao custo de uma corrente escura 10-100x maior. Os TIAs normalmente operam com polarização zero (terra virtual) ou leve polarização reversa para uma compensação ideal de largura de banda de ruído, de acordo com a nota técnica de Hamamatsu.
NEP = ruído total da corrente referida à entrada/responsividade do fotodiodo. O ruído atual inclui: ruído Johnson de Rf (in_RF = sqrt (4kT/RF)), ruído de tensão do amplificador operacional convertido em corrente (in_vn = en*2*pi*f*CIN) e ruído de corrente do amplificador operacional (in_op, normalmente 1-10 fA/rthz para amplificadores operacionais FET). Total: em_total = sqrt (in_RF^2 + em_vn^2 + in_op^2). Para 150 kOhm Rf a 25C: in_RF = 0,33 Fa/RTHz. Com responsividade de 0,65 A/W, NEP = 0,51 FW/RTHz. NEP mais baixo significa sensibilidade a sinais de luz mais fracos, de acordo com o Manual 44 do NIST.

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