Rauscharmer Transimpedanzverstärker (TIA) - Warum verursacht das Hinzufügen eines Rückkopplungskondensators eine Spannungsrauschspitze?

Ich arbeite an einem rauscharmen Transimpedanzverstärker (TIA) zur Erkennung schwacher optischer Signale. Ziel ist es, eine 10-MHz-Bandbreite mit einem weißen Spannungsrauschen von 10 bis 20 nV / rtHz zu erreichen. Ich verwende die Fotodiode FGA21 und den Operationsverstärker OPA847 mit einem 10-kOhm-Rückkopplungswiderstand, der im photoleitenden Modus arbeitet.

Zu den wichtigsten Spezifikationen gehören:

• Banwidth-Produkt gewinnen: GBW = 3,9 GHz
• Eingangsspannungsrauschen: e_n = 0,85 nV / rtHz
• Eingangsstromrauschen: i_n = 2,5 pA / rtHz
• Fotodiodenkapazität: C_d = 100 pF bei 3 V Vorspannung

Das PCB-Design folgte vielen der vorgeschlagenen Layouttechniken (Minimierung der Spurlänge, Durchführen von Rückkopplungskomponenten unter dem Operationsverstärker, Isolieren empfindlicher Spuren von der Grundebene usw.). Zusätzlich wurde die Spannungsversorgung unter Verwendung von Entkopplungskondensatoren stark gefiltert und der OPA820-Operationsverstärker wurde verwendet, um den Ausgang zu puffern.

Es wurden zwei Rauschspektren aufgenommen, eines, bei dem die Rückkopplungskapazität offen gelassen wurde, und eines, bei dem sie auf 1,5 pF eingestellt war:

Die gestrichelten Linien repräsentieren die entsprechenden theoretischen Rauschkurven. Es ist klar, dass der Kondensator bewirkt, dass sich die Rauschspitze verbreitert und die Frequenz verschiebt. Dies widerspricht der Theorie, die besagt, dass ein Rückkopplungskondensator die Transimpedanzverstärkung dämpft und das Hochfrequenzrauschen reduziert.

Um dies weiter zu testen, wurde eine Schaltung ohne die Fotodiode aufgebaut, stattdessen wurde ein 100pF-Kondensator hinzugefügt, um die Diodenübergangskapazität nachzuahmen, und die Rauschmessungen wurden wiederholt:

In dieser Schaltung bewirkt die Hinzufügung eines Rückkopplungskondensators, dass das Rauschen ähnlich wie in der Theorie vorhergesagt gedämpft wird, was darauf hindeutet, dass das einfache Fotodiodenmodell einer Sperrschichtkapazität und einer Stromquelle möglicherweise nicht vollständig genau ist. Beim Durchsuchen der Literatur habe ich jedoch noch keine Diskussion über die Einschränkungen dieses Modells gefunden und auch keine Beispiele für dieses Verhalten gesehen.

Ich frage mich also, ob jemand zuvor auf dieses Problem gestoßen ist oder verstehen kann, wie die Hinzufügung eines einzelnen Kondensators eine große Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment verursacht.

(Bitte entschuldigen Sie das Fehlen von Schaltplänen, ich bin ein neuer Benutzer und kann bisher nur zwei Links pro Frage anhängen)

Bearbeiten: Hier ist das PCB-Layout für die TIA mit Fotodiode:

und hier ist der Schaltplan (es ist erwähnenswert, dass das Tiefpassfilter zwischen den Operationsverstärkern nicht verwendet wurde, der Kondensator offen gelassen wurde):

Bearbeiten 2: Beachten Sie in den obigen Schaltplänen, dass die Fotodiode nicht in Sperrrichtung vorgespannt ist, sondern in allen gezeigten Rauschspektren mit der richtigen Vorspannung verlötet ist

Ich bin mir nicht sicher, was das Rauschen auf Ihrer Schaltung betrifft, aber hier ist eine ziemlich ausführliche Hilfe zum Auslegen von TIA-Schaltungen:

http://www.linear.com/solutions/5633

Ich kann nicht sagen, ob Sie die Erdungs- und Leistungsebene auf Ihrer Eingangsspur von der Fotodiode entleert haben. Sie können jedoch Folgendes versuchen. Stellen Sie die Eingangskappe und den Widerstand auf das Ende (Grabstein). Löten Sie einen sehr feinen Draht (vielleicht 40 AWG) von einem Ende, das sich in der Luft befindet, zum Fotodiodenausgangspin. Dies minimiert die Eingangskapazität und bietet Ihnen somit den besten Hochfrequenzgang.

Eine andere weniger drastische Sache ist, die Pads von Rf und Cf so klein wie möglich zu schneiden und sie dann seitlich auf die Platine zu löten. Parasitäre Eingangskapazität ist Ihr Feind bei hohen Frequenzen, und beide Ideen zielen darauf ab, sie zu minimieren. Obwohl es in der Massenproduktion teuer ist, kann es Ihnen einige Ideen geben, um die Leistung zu verbessern.

Einige andere Ideen - verwenden Sie 0402 anstelle von 0805 oder 0603. Dadurch wird auch die Eingangskapazität verringert.

Eine andere Idee, die auch in der LT-Literatur enthalten war, bestand darin, eine Erdungsspur zwischen den Pads Ihres Eingangswiderstands zu ziehen. Dies bringt die Feldstärke auf 0. Ich habe ehrlich gesagt kein gutes Gefühl dafür, wie dies hilft, aber sie wickeln einige Wörter in den Link, den ich oben gegeben habe.

Viel Glück! Sie sollten einige Screenshots Ihres Frequenzgangs veröffentlichen und uns mitteilen, was Sie getan haben - was funktioniert hat und was nicht.

Ihr Rückkopplungskondensator sollte mehr als 10 pF betragen, da die Fotodiodenkapazität größer ist.

Der Kondensator selbst hat eine viel niedrigere Impedanz als die Fotodiode, und ich denke, es ist zu erwarten, dass die Schaltung weniger stabil ist. Es sieht so aus, als würde es bei der 10-MHz-Spitze sogar ein wenig mitschwingen, sodass Sie möglicherweise einen größeren Rückkopplungskondensator benötigen. Wenn 1,5 pF um den richtigen Wert herum liegt, kann die Verwendung eines tatsächlichen Trimmerkondensators zum Einstellen nützlich sein, wenn dadurch die Pfadlängen und dergleichen nicht zu stark erhöht werden.

Ich selbst bin mit der Theorie nicht richtig vertraut, daher kann ich nur grundlegende Ratschläge geben.

Nach meiner Erfahrung scheint es, dass Sie einen Kondensator-Flyback-Modus erleben. Was dazu führt, dass Ihre Spannung Spitzen erzeugt, die wie Ihre saugen. Um dieses Problem zu beheben, würde ich empfehlen, einen größeren Kondensator zu verwenden oder dem System vor dem Kondensator zusätzlichen Widerstand hinzuzufügen.