Советы по достижению точности на низких частотах и расширенной полосы пропускания в схемах с фотодиодами
В данной статье мы продолжаем обсуждение методов проектирования, которые помогают нам улучшить характеристики трансимпедансных усилителей.
В прошлой статье мы начали разговор о советах по проектированию усилителей сигналов фотодиодов.
Здесь мы рассмотрим две концепции, которые могут потребоваться для настройки трансимпедансных усилителей в схемах с фотодиодами: ток утечки и полоса пропускания.
Если вы хотите узнать больше о фотодиодах, не забудьте прочитать серию статей «Введение в фотодиоды»; первая статья серии посвящена свету и pn-переходам. Полный список статей серии можно найти выше, в содержании.
Минимизация тока утечки
Фотодиоды вырабатывают токи в диапазоне наноампер и микроампер. При таких крошечных токах неидеальности, которые мы часто игнорируем, могут стать заметными и даже проблематичными.
Входной ток смещения операционного усилителя
Во-первых, внимательно изучите характеристики операционного усилителя, а именно входной ток смещения. В идеале через входы течет нулевой ток, и весь фототок проходит через резистор обратной связи трансимпедансного усилителя и влияет на выходное напряжение.
К сожалению, для реального операционного усилителя требуется некоторый входной ток смещения, и токи смещения, которые казались бы незначительными в других приложениях, в фотодиодной системе могут вызывать недопустимые ошибки. При ненулевом токе смещения часть фототока отводится на входной каскад операционного усилителя, и если фототок находится в диапазоне наноампер, то, чтобы серьезно изменить результаты измерений, выдаваемые усилителем, не потребуется большого отклонения тока.
В общем, вам понадобится операционный усилитель с входным каскадом на полевых транзисторах. Биполярные транзисторы потребляют слишком большой ток смещения. Но даже входные каскады на полевых транзисторах содержат защитные диоды, обычные для входных схем микросхем; у этих диодов есть ток утечки, и этот ток утечки при повышении температуры становится гораздо более значительным. Если вы разрабатываете фотодиодный усилитель для высокотемпературного применения, обязательно проверьте его характеристики!
Операционные усилители, предназначенные для приложений трансимпедансных усилителей, могут обеспечивать удивительно низкие входные токи смещения. Например, я немного поискал и нашел LTC6268 от Analog Devices. При комнатной температуре его ток утечки составляет всего несколько фемтоампер. Однако при 125°C он составляет 4 пикоампера (макс.) – увеличение на три порядка!
Утечки на печатной плате
Во-вторых, мы должны помнить, что наши дорожки на печатной плате не окружены материалами, которые обеспечивают бесконечное сопротивление. Если подключение к фотодиоду проходит рядом с дорожками или медными полигонами, которые создают значительную разность потенциалов, постоянный ток утечки через печатную плату может быть достаточно большим, чтобы вызывать ошибки измерений.
Входной сигнал от фотодиода проходит по дорожке, ведущей к инвертирующему входу операционного усилителя. Напряжение на инвертирующем входе обычно находится на уровне земли или около него потому, что напряжение на неинвертирующем входе удерживается на уровне земле или на небольшом напряжении смещения. Таким образом, дорожки, которые с большей вероятностью вызовут проблемы с током утечки, – это дорожки с напряжением, далеким от нуля, например, положительное или отрицательное напряжение питания. Чтобы максимизировать точность, оставьте как можно больше места (в пределах разумного) между этими дорожками и входной дорожкой от фотодиода к операционному усилителю.
Расширение полосы пропускания
Для многих фотодиодных приложений высокочастотный отклик не требуется, что немного упрощает жизнь, потому что разработать оптимизированную фотодиодную схему сложно, даже когда скорость не является главной проблемой. Когда вы добавляете требование широкой полосы пропускания, ситуация может стать очень сложной.
На принципиальной схеме, представленной в предыдущей статье, показан обычный конденсатор (Cос), включенный в цепь обратной связи, как средство обеспечения необходимой стабильности:
Однако в высокочастотных приложениях с фотодиодами оптимальная величина емкости обратной связи может быть чрезвычайно маленькой – в некоторых случаях намного меньше 1 пФ. Это особенно верно в приложениях с высоким коэффициентом усиления, поскольку по мере увеличения сопротивления обратной связи потребность в емкости обратной связи уменьшается.
Таким образом, широкополосные фотодиодные трансимпедансные усилители могут не нуждаться в Cос либо потому, что полюс обратной связи не расположен на частоте, которая создает нестабильность, либо потому, что тракт обратной связи имеет такую большую паразитную емкость, что намеренно установленный конденсатор уже не требуется.
Продвигаясь дальше, мы видим, что паразитная емкость на самом деле может быть больше требуемой компенсационной емкости. В этом случае паразитная емкость излишне ограничивает полосу пропускания трансимпедансного усилителя, и задача разработчика состоит в том, чтобы уменьшить емкость обратной связи, чтобы увеличить полосу пропускания.
При плотной компоновке печатной платы с короткими дорожками мы мало что можем сделать, чтобы уменьшить емкость медных соединений в тракте обратной связи. Однако мы можем уменьшить паразитную емкость, связанную с резистором обратной связи.
Во-первых, мы можем попытаться изменить площадь посадочного места резистора на печатной плате. Теоретически емкость можно уменьшить, уменьшив площадь параллельных пластин торцевых выводов резистора и увеличив расстояние между торцевыми выводами. Затем мы можем уменьшить емкость между выводами, проложив дорожку земли между контактными площадками посадочного места резистора на печатной плате. Вы можете прочитать больше об этих методах на страницах 14 и 15 технического описания LTC6268/LTC6269.
Заключение
Мы рассмотрели различные интересные подробности, относящиеся к конструкции трансимпедансного усилителя, и я надеюсь, что эта информация будет вам полезна при проектировании или анализе схем, которые включают в себя усилитель сигнала фотодиода. Если у вас есть какие-либо дополнительные советы или рекомендации, не стесняйтесь делиться ими в разделе комментариев.