В прошлой статье мы начали разговор о советах по проектированию фотодиодных усилителей. Здесь мы рассмотрим две концепции, которые могут потребоваться для настройки трансимпедансных усилителей в схемах с фотодиодами: ток утечки и полоса пропускания.
Фотодиоды вырабатывают токи в диапазоне наноампер и единиц микроампер. При таких крошечных токах неидеальности, которые мы часто игнорируем, могут стать заметными и даже проблематичными.
Во-первых, внимательно изучите характеристики операционного усилителя в отношении входного тока смещения. В идеале нулевой ток течет на входные линии или выходит из них, а 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, а токи смещения, которые казались бы незначительными в других приложениях, могут привести к недопустимым ошибкам в фотодиодной системе. При токе смещения, отличном от нуля, часть фототока отводится на входной каскад операционного усилителя, и если фототок находится в диапазоне единиц наноампер, не потребуется большого отклонения тока, чтобы серьезно изменить измерение, сообщаемое усилителем.
На выше приведенной схеме показано, как часть фототока фотодиода используется в качестве входного тока смещения и, следовательно, не влияет на выходное напряжение. В этой конфигурации фотодиод имеет обратное смещение положительным напряжением, и ориентация диода приводит к появлению фототока, который течет к выходному узлу.
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 имеют обычные защитные диоды, имеющиеся во входных схемах ИС; эти диоды имеют ток утечки, и этот ток утечки становится гораздо более значительным при повышении температуры. Если вы разрабатываете фотодиодный усилитель для высокотемпературного применения, обязательно проверьте его характеристики для высоких температур.
Операционные усилители, предназначенные для работы в качестве трансимпедансного усилителя, могут обеспечивать удивительно низкие входные токи смещения. Например, LTC6268 от Analog Devices. При комнатной температуре его ток утечки составляет всего несколько фемтоампер. Однако при 125 °C спецификация составляет 4 пикоампера (макс.), что на три порядка больше.
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 площадками, которые создают значительную разность потенциалов, ток утечки постоянного тока через печатную плату может быть достаточно большим, чтобы вызвать ошибки.
Входной сигнал фотодиода проходит по дорожке, ведущей к инвертирующей входной линии операционного усилителя. Инвертирующий входной канал обычно находится на потенциале земли или около него, потому что неинвертирующий входной канал удерживается на потенциале земли или при небольшом напряжении смещения. Таким образом, дорожки, которые с большей вероятностью вызовут проблемы с током утечки – это дорожки с напряжением, не близким к нулю, например, положительное или отрицательное напряжение питания. Чтобы максимизировать точность, оставьте как можно больше места (в пределах разумного) между этими дорожками и входной дорожкой фотодиода.
Для многих фотодиодных приложений не требуется высокочастотный отклик, что немного облегчает жизнь, потому что разработать оптимизированную схему с фотодиодом сложно, даже когда скорость не является основной проблемой. Когда вы добавляете требование широкой полосы пропускания, ситуация может стать очень сложной. На принципиальной схеме, представленной в предыдущей статье, показан обычный конденсатор (CF), включенный в цепь обратной связи как средство обеспечения адекватной стабильности.
Однако в приложениях с высокоскоростными 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 потребность в емкости обратной связи уменьшается по мере увеличения сопротивления обратной связи.
Таким образом, широкополосные фотодиодные трансимпедансные усилители могут не нуждаться в CF 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 не требуется.
Продвигаясь дальше, мы видим, что паразитная емкость на самом деле может быть больше, чем требуемая компенсационная емкость. 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. В плотной компоновке 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 основания печатной платы резистора. Теоретически емкость можно уменьшить, уменьшив площадь параллельных пластин торцевых крышек резистора и увеличив расстояние между ними. Далее, мы можем уменьшить емкость между каналами, проложив заземляющий провод между контактными площадками на посадочной поверхности печатной платы резистора. Вы можете прочитать больше об этих методах на страницах 14 и 15 в документации на LTC6268/LTC6269.
Мы рассмотрели различные интересные детали, связанные с конструкцией трансимпедансного усилителя, и мы надеемся, что вы найдете эту информацию полезной при проектировании или анализе схемы, включающей усилитель фотодиода.
© digitrode.ru