Bộ khuếch đại transimpedance tiếng ồn thấp (TIA) - tại sao việc bổ sung một tụ điện phản hồi gây ra đỉnh điện áp nhiễu?

Tôi đang làm việc trên một bộ khuếch đại transimpedance tiếng ồn thấp (TIA) để phát hiện các tín hiệu quang yếu. Mục đích là để đạt được băng thông 10 MHz với mức nhiễu điện áp trắng là 10-20nV / rtHz. Tôi đang sử dụng photodiode FGA21 và OPA847 Op-Amp với điện trở phản hồi 10kohm hoạt động ở chế độ quang dẫn.

Thông số kỹ thuật chính bao gồm:

• Đạt được sản phẩm băng thông: GBW = 3.9GHz
• Nhiễu điện áp đầu vào: e_n = 0,85nV / rtHz
• Tiếng ồn hiện tại đầu vào: i_n = 2.5pA / rtHz
• điện dung photodiode: C_d = 100pF @ 3V sai lệch

Thiết kế PCB tuân theo nhiều kỹ thuật bố trí được đề xuất (giảm thiểu chiều dài theo dõi, chuyển các thành phần phản hồi dưới op-amp, cách ly các rãnh nhạy cảm với mặt phẳng mặt đất, v.v.). Ngoài ra, nguồn cung cấp điện áp được lọc rất nhiều bằng cách sử dụng các tụ tách rời và OPA820 Op-Amp được sử dụng để đệm đầu ra.

Hai phổ nhiễu đã được thực hiện, một trong đó điện dung phản hồi bị bỏ ngỏ và một nơi được đặt thành 1,5pF:

Các đường đứt nét đại diện cho các đường cong lý thuyết tương ứng. Rõ ràng tụ điện làm cho cực đại nhiễu mở rộng và thay đổi tần số, lý thuyết mâu thuẫn này cho thấy một tụ phản hồi làm giảm mức tăng âm và giảm nhiễu tần số cao.

Để kiểm tra điều này hơn nữa, một mạch được xây dựng mà không có photodiode, thay vào đó, một tụ điện 100pF đã được thêm vào để mô phỏng điện dung tiếp giáp diode và các phép đo nhiễu đã được giữ lại:

Trong mạch này, việc bổ sung một tụ điện phản hồi làm cho nhiễu giảm đi tương tự như lý thuyết dự đoán nó, gợi ý cho tôi rằng mô hình photodiode đơn giản của điện dung tiếp giáp và nguồn hiện tại có thể không hoàn toàn chính xác. Tuy nhiên, tìm kiếm thông qua tài liệu tôi chưa tìm thấy các cuộc thảo luận về những hạn chế của mô hình này, tôi cũng không thấy bất kỳ ví dụ nào về hành vi này.

Vì vậy, tôi tự hỏi nếu có ai khác đã gặp phải vấn đề này trước đây hoặc có thể hiểu làm thế nào việc bổ sung một tụ điện duy nhất gây ra sự chênh lệch lớn giữa lý thuyết và thử nghiệm?

(Xin thứ lỗi cho việc thiếu sơ đồ mạch, tôi là người dùng mới và cho đến nay chỉ có thể đính kèm hai liên kết cho mỗi câu hỏi)

Chỉnh sửa: Đây là cách bố trí PCB cho TIA với photodiode:

và đây là sơ đồ mạch (đáng chú ý là bộ lọc thông thấp giữa các op-amps không được sử dụng, tụ điện bị bỏ ngỏ):

Chỉnh sửa 2: Lưu ý trong các sơ đồ mạch trên, photodiode không bị phân cực ngược, trong tất cả các phổ nhiễu cho thấy nó được hàn theo độ lệch chính xác

Tôi không chắc chắn cụ thể về tiếng ồn trên mạch của bạn, nhưng đây là một hướng dẫn trợ giúp khá rộng rãi để bố trí các mạch TIA:

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

Tôi không thể biết nếu bạn đã vô hiệu hóa mặt đất và mặt phẳng nguồn trên dấu vết đầu vào của bạn từ photodiode. Tuy nhiên, bạn có thể thử như sau. Đứng nắp đầu vào và điện trở ở cuối (bia mộ). Hàn một dây rất mảnh (có lẽ là 40AWG) từ một đầu truyền vào chân pin đầu ra photodiode. Điều này sẽ giảm thiểu điện dung đầu vào, và do đó cung cấp cho bạn đáp ứng tần số cao tốt nhất.

Một điều ít quyết liệt hơn để thử là cắt các miếng đệm của Rf và Cf đến mức nhỏ nhất có thể, sau đó hàn chúng trên bảng sang một bên. Điện dung đầu vào ký sinh là kẻ thù của bạn ở tần số cao, và cả hai ý tưởng này đều nhằm mục đích giảm thiểu nó. Mặc dù đắt tiền trong sản xuất hàng loạt, nó có thể cung cấp cho bạn một số ý tưởng để làm cho nó hiệu suất tốt hơn.

Một số ý tưởng khác - sử dụng 0402's thay vì 0805's hoặc 0603's. Điều này sẽ làm giảm điện dung đầu vào là tốt.

Một ý tưởng khác cũng có trong tài liệu LT là chạy một dấu vết giữa các miếng đệm của điện trở đầu vào của bạn. Điều này mang lại sức mạnh trường lên 0. Tôi thực sự không có cảm giác tốt về cách thức này giúp ích, nhưng họ bao bọc một số từ xung quanh nó trong liên kết tôi đã đưa ra ở trên.

Chúc may mắn! Bạn nên đăng một số ảnh chụp màn hình về đáp ứng tần số của bạn và cho chúng tôi biết những gì bạn đã làm - những gì đã hoạt động và những gì không.

Tụ phản hồi của bạn nên lớn hơn 10pF vì điện dung photodiode nhiều hơn.

Bản thân tụ điện sẽ có trở kháng thấp hơn nhiều so với photodiode, và vì vậy tôi nghĩ rằng có thể dự đoán rằng mạch sẽ kém ổn định hơn. Có vẻ như nó thậm chí còn cộng hưởng một chút ở mức đỉnh 10 MHz nên bạn có thể cần một tụ phản hồi lớn hơn. Nếu 1,5pF nằm xung quanh giá trị phù hợp thì sử dụng tụ bù tông đơ thực tế có thể thuận tiện cho việc điều chỉnh nếu nó không làm tăng độ dài đường dẫn và quá nhiều.

Bản thân tôi không quen thuộc với lý thuyết nên tôi chỉ có thể đưa ra lời khuyên cơ bản.

Theo kinh nghiệm của tôi, có vẻ như bạn đang trải nghiệm chế độ flyback tụ điện. Điều này gây ra điện áp của bạn để tạo ra đỉnh hút như của bạn. Để khắc phục sự cố này, tôi khuyên bạn nên sử dụng Tụ lớn hơn hoặc thêm điện trở bổ sung vào hệ thống trước tụ.