Советы по проектированию усилителей сигналов фотодиодов

Добавлено 22 февраля 2021 в 13:59

В данной статье рассматриваются важные подробности, связанные с проектированием трансимпедансных усилителей для систем на базе фотодиодов.

Если вы всё еще не знакомы с работой и реализацией фотодиодов, я определенно рекомендую вам прочитать (или хотя бы просмотреть!) серию статей про введение в фотодиоды (полный список статей можно найти в блоке с содержанием в начале статьи):

Как усилить сигнал фотодиода

Стандартный метод усиления тока очень малой величины, генерируемого фотодиодом, заключается в использовании этого тока в качестве входного сигнала трансимпедансного усилителя (transimpedance amplifier, TIA) на базе операционного усилителя. На следующей схеме показан пример схемы с фотодиодом, подключенным к трансимпедансному усилителю; на фотодиод подается нулевое напряжение смещения, что означает, что фотодиод работает в фотоэлектрическом режиме.

Рисунок 1 Фотодиод, подключенный к трансимпедансному усилителю
Рисунок 1 – Фотодиод, подключенный к трансимпедансному усилителю

Поддержание стабильности в фотодиодных схемах

В схеме, показанной выше, усиление определяет только резистор (Rос). Назначение конденсатора (Cос) состоит в том, чтобы избежать проблем, связанных с возбуждением колебаний, за счет компенсации внутренней емкости pn-перехода фотодиода, которая создает полюс в цепи обратной связи. Cос компенсирует ее, создавая ноль в цепи обратной связи.

Возбуждение колебаний – это реальная проблема фотодиодных схем. Внутренняя частотная компенсация обычно защищает операционные усилители от нестабильности, но фотодиодные трансимпедансные усилители могут генерировать колебания, даже когда вы используете операционный усилитель с внутренней компенсацией.

Вы можете узнать гораздо больше о стабильности фотодиодных усилителей, в том числе о том, как эффективно подобрать величину емкости компенсационного конденсатора, в 8-ой части серии статей об отрицательной обратной связи.

Добавление смещения по постоянному напряжению

В некоторых ситуациях вам может потребоваться использовать фотодиод для записи сигнала, создаваемого определенным типом кратковременного оптического или теплового события. Чтобы устранить влияние окружающего излучения и, таким образом, позволить системе обнаруживать только кратковременные изменения освещения, вы можете использовать связь по переменному току. Но задний фронт сигнала может продлеваться до уровня напряжения ниже уровня земли.

В системе с однополярным питанием это может стать проблемой: если отрицательный вывод питания операционного усилителя заземлен, часть сигнала, выходящая по напряжению ниже 0 В, будет обрезана.

Вы можете исправить это, подав небольшое постоянное напряжение, назовем его Vсмещ, на неинвертирующий вход операционного усилителя; выходной уровень, создаваемый усилителем при отсутствии входного сигнала, теперь станет равен Vсмещ. Напряжение при спаде сигнала может падать ниже этого напряжения, и после завершения переходного процесса усиленный выходной сигнал в конечном итоге вернется к Vсмещ.

Рисунок 2 Тот же фотодиод, подключенный к трансимпедансному усилителю, как на рисунке 1, но со смещением по постоянному напряжению
Рисунок 2 – Тот же фотодиод, подключенный к трансимпедансному усилителю, как на рисунке 1, но со смещением по постоянному напряжению

В этом примере для создания подходящего напряжения смещения я использую резистивный делитель. Параллельный конденсатор помогает подавить высокочастотный шум, исходящий от источника питания.

Выбор напряжения смещения будет зависеть от приложения. Не нужно делать Vсмещ больше, чем это необходимо: если смещение составляет 500 мВ, но уровень ваших входных сигналов никогда не падает более чем на 200 мВ ниже уровня земли, то вы теряете 300 мВ для размаха сигнала, которые могут потребоваться для положительной части сигнала.

Помните, что напряжение, приложенное к неинвертирующему входу, благодаря виртуальному короткому замыканию также появится на инвертирующем входе. Это означает, что положительное напряжение смещения вызовет обратное смещение фотодиода. Влияние обратного смещения на работу фотодиода обсуждается в третьей статье серии «Введение в фотодиоды».

Избегайте насыщения

Даже если вы не хотите сохранять часть сигнала ниже потенциала земли, вам всё равно следует рассмотреть возможность добавления небольшого (возможно, 100 мВ) напряжения смещения, если вы разрабатываете систему с одним источником питания, поскольку это предотвращает насыщение операционного усилителя и притягивание выходного напряжения к отрицательной шине питания.

Насыщение – это конечно не катастрофа, но операционные усилители (в отличие от компараторов) не оптимизированы для создания выходных напряжений, равных напряжениям на шинах питания. Операционному усилителю в режиме насыщения нужно время, чтобы выйти из состояния насыщения; таким образом, трансимпедансный усилитель, который насыщен на отрицательной шине питания, будет демонстрировать некоторую задержку при реагировании на входной сигнал.

Заключение

В данной статье мы более подробно рассмотрели трансимпедансные усилители для фотодиодов, при этом обсуждались вопросы стабильности, смещения по постоянному напряжению для сохранения формы сигнала и смещения по постоянному напряжению для предотвращения насыщения операционного усилителя. О трансимпедансных усилителях сигналов фотодиодов можно сказать гораздо больше, и мы продолжим эту тему в следующей статье.

Теги

ОУ (операционный усилитель)СхемотехникаТрансимпедансный усилительФотодиод

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.