Вопросы проектирования операционных усилителей для трансимпедансного усилителя

Я пытаюсь улучшить конструкцию трансимпедансного усилителя, заменив операционный усилитель, который я сейчас использую, на другой. Проблема, с которой я столкнулся сейчас, заключается в том, что я не уверен, как выбрать хороший операционный усилитель, исходя из моих потребностей.

Схема моего трансимпедансного усилителя показана ниже. Я использую кремниевый фотоумножитель SensL MicroFJ-60035 (SiPM), а в настоящее время использую усилитель TI OPA656.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

SensL требует, чтобы вы указали свой адрес электронной почты для их таблицы данных, но я постараюсь разместить здесь некоторую информацию об устройстве. Если вам нужна дополнительная информация, дайте мне знать, и я добавлю дополнительную информацию здесь. Спектральный диапазон датчика составляет от 200 до 900 нм, а его темновая скорость счета составляет 80 кГц/мм2. Он имеет типичный коэффициент усиления 5,3*10^6, параметр темнового тока 4,1 мкА и время нарастания 300 пс. Кроме того, датчик рассчитан на максимальный ток 15 мА.

OPA656 представляет собой усилитель с обратной связью по напряжению со скоростью нарастания 295 В/мкс и произведением полосы пропускания усиления 230 МГц на полосу пропускания 500 МГц. Он имеет входной ток смещения 1 пА и входное напряжение смещения 100 мкВ. Также емкость на анодном выходе 4000 пФ. В даташите ни слова о емкости на выходе катода.

Прямо сейчас проблема, с которой я сталкиваюсь в своем дизайне, - это скорость. В настоящее время он слишком медленный, с временем нарастания 14 нс. Мне и моей команде удалось сократить время нарастания схемы примерно до 6,5-9 нс, уменьшив сопротивление резистора обратной связи с 470 Ом до 25 Ом, но коэффициент усиления настолько мал, что максимальная амплитуда составляет около 160 мВ. Я пытаюсь найти новый операционный усилитель, который позволил бы увеличить время нарастания без необходимого снижения коэффициента усиления.

Поскольку я провел некоторые исследования, я не обязательно полностью разбираюсь в нюансах конструкции операционных усилителей, поэтому я сосредоточился в первую очередь на скорости нарастания. Однако я обнаружил, что по мере увеличения скорости нарастания пропускная способность уменьшается. Вот мой первый вопрос. Моей команде нужны определенные требования к пропускной способности, но если зависимость между скоростью нарастания и пропускной способностью операционного усилителя обратно пропорциональна, как мне определить пропускную способность, необходимую для моего приложения? Основано ли оно на моем SiPM или на тестовой среде, в которой тестируется SiPM?

Мой следующий вопрос также касается пропускной способности операционного усилителя. Меньшая полоса пропускания означает, что усилитель не будет работать с высокочастотными сигналами за пределами своего диапазона, но как это повлияет на выходное напряжение? Я нашел несколько SPICE-моделей моего SiPM, а также OPA656 и несколько возможных усилителей на замену (в частности, AD8014, ADA4895, ADA4860 и AD8001). Эти замены имеют более высокую скорость нарастания, но меньшую полосу пропускания. Приведет ли меньшая полоса пропускания к меньшему, но более быстрому выходному напряжению? Если это так, то это не слишком большая проблема. Нам не обязательно нужен сигнал большого напряжения; для наших нужд достаточно одного на уровне от 600 до 850 мВ.

Какова амплитуда сигналов, которые вы на самом деле хотите обработать?
Важным параметром фотодиода, который вы не указали, является его емкость.
Обычно скорость нарастания и BW увеличиваются вместе. (но не всегда). Обычно вы больше заботитесь о BW. (Каково напряжение вашего времени нарастания 14 нс? Оно близко к 300 В / мкс ... ~ 4 В / 14 нс?) Две мои любимые книги по фотодиодам и тому подобное. «Обнаружение и измерение фотографий» Марка Джонсона и «Создание электрооптических систем» Фила Хобба.
@ThePhoton Максимальная амплитуда сигнала при сопротивлении обратной связи 25 Ом составляет около 160 мВ. Моя команда хотела бы, чтобы это было около 600-850 мВ.
@GeorgeHerold При сопротивлении обратной связи 470 Ом время нарастания 14 нс дало выходное напряжение примерно 1,75 вольт. Учитывая требования, я надеялся пожертвовать частью выходного напряжения в обмен на более высокую скорость. Спасибо за рекомендации по книгам.
@KevinWhite Извините, что не включил это. По даташиту емкость на анодном выходе 4000 пФ. На листе не указано, какова емкость на катоде. Есть третья клемма для сигнала «быстрого выхода», но я не использую ее в своих схемах, поэтому она не подключена.
Запустив некоторые «свободные» числа, кажется, что у вас слишком большая входная емкость. 1.) какая полоса пропускания, 14 нс ~10 МГц. Для TIA BW — это среднее геометрическое между f_GBW и f_RC (где R — R обратной связи, а C — входная емкость). BW = sqrt (f_GBW * f_RC), из чего я получаю f_RC ~ 0,4 МГц или C_in ~ 800 пФ! Кажется, это много. Делали ли вы что-нибудь, чтобы вход C оставался низким? Почему бы не попробовать быстрый выходной сигнал?
@GeorgeHerold Моя команда в настоящее время не заинтересована в использовании выходного сигнала. Прямо сейчас мы пытаемся сделать все возможное, используя только сигнал с катода. На самом деле я мало что сделал для поддержания низкой входной емкости, но это в основном потому, что я не совсем уверен в том, что я могу сделать. Емкость находится внутри детали, поэтому я мало что могу здесь сделать. На плате я обязательно использую наземные плоскости, но это все.
@ user101402, есть несколько приемов, которые можно использовать, чтобы уменьшить влияние ввода C. На высокой скорости изучите идею каскода Фила Хобба. Думаю, это тоже есть в третьем томе Art of Electronics. См. рис. 8.86. Наконец, как насчет opa657, который примерно в 4 раза быстрее и должен улучшить BW в два или более раза?
@GeorgeHerold Я посмотрю на объем. Я также посмотрел на OPA657. Я видел, что у него большая пропускная способность и большая скорость нарастания, чем у OPA656, но когда я импортировал модель устройства TI в свой симулятор, результаты были нереалистичными. Каким-то образом я получил невероятно большой прирост после задержки в 30 наносекунд после того, как мой датчик стал «активным», поэтому я не решался попробовать это. Я осмотрелся и сосредоточился больше на частях Analog Devices, где модель работала более реалистично, но если у меня будет возможность получить несколько образцов OPA657, я посмотрю, смогу ли я попробовать.

Ответы (2)

При входном токе 1 мА на сопротивлении 470 Ом это 0,47 вольт вряд ли вызовет проблемы со скоростью нарастания; 0,47В больше в области слабого сигнала.

Датчик большой емкости убьет вашу скорость. А медленный тестовый фотонный импульс запутает измерения. Какие у тебя параметры?

И проблема в нагрузке 50 Ом?

Предположим, для отладки схемы вставьте NPN-транзистор с общей базой. Если это медленно, то датчик и паразитная емкость узла Vin являются ухудшением.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Где вы увидели значение "1 мА" в вопросе?
Спасибо за ваш ответ. Я добавил информацию о емкости из таблицы данных датчика, хотя там было сказано только о емкости на анодном выходе, равной 4000 пФ. Кроме того, я не думаю, что здесь дело в резисторе 50 Ом. Он там, чтобы соответствовать импедансу коаксиального разъема.

Вот хороший ресурс по оптимизации высокочастотных характеристик схем TIA:

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

Подводя итог, я бы выделил три области:

1) Вы можете повысить производительность, просто используя более качественный операционный усилитель. LTC6268IS6-10#TRMPBF имеет лучшие характеристики на бумаге, но он тоже пострадает, если на входе усилителя будет слишком много паразитной емкости.

2) Подробно изучите паразитную емкость в разводке вашей печатной платы. В руководстве, на которое я ссылался выше, показано несколько способов уменьшить паразитную входную емкость. Вы можете частично исключить это из уравнения, подняв ножку входного контакта вашей ИС и подключив к нему «дохлый жук» выход SiPM через провод над платой. Точно так же припаяйте резистор обратной связи поверх микросхемы и подключите к соответствующим контактам. Это был бы наилучший сценарий с очень небольшой обратной связью или входной емкостью.

3) Изучите свою тестовую установку. 300ps это довольно быстро. Может ли ваш прицел справиться с этим? Вы можете запустить тестовый сигнал и посмотреть, какой самый быстрый сигнал вы можете измерить, чтобы вы могли получить базовый уровень для ваших измерений. Есть много источников сигнала, которые вы можете использовать, но вот один из них, за который я могу поручиться:

http://thinksrs.com/products/DG645.htm

Для этого вы можете получить модуль с быстрым временем нарастания и получать из него субнаносекундные (100 пс?) 5-вольтовые сигналы. За 5 тысяч долларов это недешево, поэтому у других может быть более дешевый способ протестировать вашу установку.

Вопросы проектирования операционных усилителей для трансимпедансного усилителя
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v