Estoy trabajando en un amplificador de transimpedancia de bajo ruido (TIA) para la detección de señales ópticas débiles. El objetivo es lograr un ancho de banda de 10MHz con un piso de ruido de voltaje blanco de 10-20nV / rtHz. Estoy usando el fotodiodo FGA21 y el amplificador operacional OPA847 con una resistencia de retroalimentación de 10kohm que funciona en modo fotoconductor.
Las especificaciones clave incluyen:
- Ganancia de ancho de producto: GBW = 3.9GHz
- Ruido de voltaje de entrada: e_n = 0.85nV / rtHz
- Ruido de corriente de entrada: i_n = 2.5pA / rtHz
- capacitancia del fotodiodo: C_d = 100pF @ 3V de polarización
El diseño de PCB siguió muchas de las técnicas de diseño sugeridas (minimizando la longitud de la pista, pasando componentes de retroalimentación debajo del amplificador operacional, aislando pistas sensibles del plano de tierra, etc.). Además, el suministro de voltaje se filtró fuertemente utilizando condensadores de desacoplamiento y el amplificador operacional OPA820 se usó para amortiguar la salida.
Se tomaron dos espectros de ruido, uno donde la capacitancia de retroalimentación se dejó abierta y otra donde se configuró a 1.5pF:
Las líneas discontinuas representan las curvas de ruido teóricas correspondientes. Claramente, el condensador hace que el pico de ruido se amplíe y cambie de frecuencia, esto contradice la teoría que sugiere que un condensador de retroalimentación amortigua la ganancia de transimpedancia y reduce el ruido de alta frecuencia.
Para probar esto aún más, se construyó un circuito sin el fotodiodo, en su lugar se agregó un condensador de 100pF para imitar la capacitancia de unión del diodo y se volvieron a tomar las mediciones de ruido:
En este circuito, la adición de un condensador de retroalimentación hace que el ruido se amortigüe de manera similar a como lo predice la teoría, sugiriéndome que el modelo de fotodiodo simple de una capacitancia de unión y una fuente de corriente puede no ser completamente exacto. Sin embargo, al buscar en la literatura aún no he encontrado discusiones sobre las limitaciones de este modelo, ni he visto ningún ejemplo de este comportamiento.
Entonces, me pregunto si alguien más se ha encontrado con este problema antes o puede entender cómo la adición de un solo condensador causa una gran disparidad entre la teoría y el experimento.
(Por favor, disculpe la falta de diagramas de circuitos, soy un usuario nuevo y hasta ahora solo puedo adjuntar dos enlaces por pregunta)
Editar: Aquí está el diseño de PCB para el TIA con fotodiodo:
y aquí está el esquema del circuito (vale la pena señalar que el filtro de paso bajo entre los amplificadores operacionales no se usó, el capacitor se dejó abierto):
Edición 2: Observe en los diagramas de circuito anteriores que el fotodiodo no está polarizado en sentido inverso, en todos los espectros de ruido mostrados está soldado en el sesgo correcto