Low noise transimpedance amplifier (TIA) - mengapa penambahan kapasitor umpan balik menyebabkan noise noise memuncak?

Saya sedang mengerjakan penguat transimpedansi noise rendah (TIA) untuk mendeteksi sinyal optik lemah. Tujuannya adalah untuk mencapai bandwidth 10MHz dengan lantai derau tegangan putih 10-20nV / rtHz. Saya menggunakan fotodioda FGA21 dan OPA847 Op-Amp dengan resistor umpan balik 10kohm yang beroperasi dalam mode fotokonduktif.

Spesifikasi utama meliputi:

• Dapatkan produk banwidth: GBW = 3.9GHz
• Derau tegangan input: e_n = 0.85nV / rtHz
• Input noise saat ini: i_n = 2.5pA / rtHz
• fotodioda kapasitansi: C_d = 100pF @ 3V bias

Desain PCB mengikuti banyak teknik tata letak yang disarankan (meminimalkan panjang lintasan, melewati komponen umpan balik di bawah op-amp, mengisolasi trek sensitif dari bidang tanah dll.). Selain itu, pasokan tegangan sangat disaring menggunakan kapasitor decoupling dan OPA820 Op-Amp digunakan untuk buffer output.

Dua spektrum noise diambil, satu di mana kapasitansi umpan balik dibiarkan terbuka dan satu di mana ia diatur ke 1.5pF:

Garis putus-putus mewakili kurva kebisingan teoritis yang sesuai. Jelas kapasitor menyebabkan kebisingan memuncak untuk memperluas dan menggeser frekuensi, teori ini bertentangan yang menunjukkan bahwa kapasitor umpan balik mengurangi penguatan transimpedansi dan mengurangi kebisingan frekuensi tinggi.

Untuk menguji ini lebih lanjut, sebuah sirkuit dibangun tanpa fotodioda, sebagai gantinya kapasitor 100pF ditambahkan untuk meniru kapasitansi sambungan dioda dan pengukuran kebisingan diulang:

Dalam rangkaian ini penambahan kapasitor umpan balik menyebabkan kebisingan berkurang mirip dengan bagaimana teori memprediksikannya, menunjukkan kepada saya bahwa model fotodioda sederhana dari kapasitansi persimpangan dan sumber arus mungkin tidak sepenuhnya akurat. Namun, mencari melalui literatur saya belum menemukan diskusi tentang keterbatasan model ini, saya juga belum melihat contoh perilaku ini.

Jadi saya bertanya-tanya apakah ada orang lain yang pernah menemukan masalah ini sebelumnya atau dapat memahami bagaimana penambahan kapasitor tunggal menyebabkan perbedaan besar antara teori dan eksperimen?

(Maafkan kurangnya diagram sirkuit, saya adalah pengguna baru dan sampai sekarang hanya dapat melampirkan dua tautan per pertanyaan)

Sunting: Berikut adalah tata letak PCB untuk TIA dengan fotodioda:

dan di sini adalah skema rangkaian (perlu dicatat filter low pass antara op-amp tidak digunakan, kapasitor dibiarkan terbuka):

Sunting 2: Catatan dalam diagram sirkuit di atas fotodioda tidak bias terbalik, dalam semua spektrum noise yang ditunjukkan, disolder dalam bias yang benar

Saya tidak yakin secara khusus tentang kebisingan di sirkuit Anda, tetapi di sini ada panduan bantuan yang cukup luas untuk meletakkan sirkuit TIA:

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

Saya tidak tahu apakah Anda telah membatalkan ground dan power plane pada jejak input Anda dari fotodioda. Namun, Anda dapat mencoba yang berikut ini. Pasang tutup input dan resistor di ujung (batu nisan). Solder kawat yang sangat halus (40AWG mungkin) dari salah satu ujung yang diudara ke pin output fotodioda. Ini akan meminimalkan kapasitansi input, dan dengan demikian memberi Anda respons frekuensi tinggi terbaik.

Hal lain yang kurang drastis untuk dicoba adalah memangkas bantalan Rf dan Cf ke sekecil mungkin, kemudian menyoldernya di papan samping. Input kapasitif parasit adalah musuh Anda pada frekuensi tinggi, dan kedua ide ini bertujuan untuk meminimalkannya. Walaupun mahal dalam produksi massal, ini mungkin memberi Anda beberapa ide untuk menjadikannya kinerja yang lebih baik.

Beberapa ide lain - gunakan 0402 bukan 0805 atau 0603. Ini akan mengurangi kapasitansi input juga.

Gagasan lain yang juga ada dalam literatur LT adalah menjalankan jejak ground di antara bantalan resistor input Anda. Ini membawa kekuatan medan ke 0. Saya benar-benar tidak memiliki perasaan yang baik untuk bagaimana ini membantu, tetapi mereka membungkus beberapa kata di sekitarnya di tautan yang saya berikan di atas.

Semoga berhasil! Anda harus memposting tangkapan layar dari respons frekuensi Anda dan beri tahu kami apa yang Anda lakukan - apa yang berhasil dan apa yang tidak.

Kapasitor umpan balik Anda harus lebih dari 10pF karena kapasitansi fotodioda lebih banyak.

Kapasitor dengan sendirinya akan memiliki impedansi jauh lebih rendah daripada fotodioda, dan jadi saya pikir itu bisa diharapkan bahwa rangkaian akan kurang stabil. Sepertinya itu bahkan beresonansi sedikit di puncak 10MHz sehingga Anda mungkin perlu kapasitor umpan balik yang lebih besar. Jika 1.5pF berada di sekitar nilai yang tepat maka menggunakan kapasitor pemangkas yang sebenarnya mungkin nyaman untuk penyetelan jika tidak menambah panjang jalur dan terlalu banyak.

Saya sendiri tidak begitu terbiasa dengan teori ini sehingga saya hanya bisa memberikan saran dasar.

Dalam pengalaman saya, sepertinya Anda mengalami mode flyback kapasitor. Yang menyebabkan tegangan Anda untuk membuat puncak menyedot seperti milik Anda. Untuk memperbaiki masalah ini, saya akan merekomendasikan menggunakan Kapasitor yang lebih besar atau menambahkan resistensi tambahan ke sistem sebelum kapasitor.