Я работаю над малошумящим трансимпедансным усилителем (TIA) для обнаружения слабых оптических сигналов. Цель состоит в том, чтобы достичь полосы пропускания 10 МГц с минимальным уровнем шума белого напряжения 10-20 нВ / ртГц. Я использую фотодиод FGA21 и операционный усилитель OPA847 с резистором обратной связи 10 кОм, работающим в режиме фотопроводимости.
Основные характеристики включают в себя:
- Продукт полосы пропускания усиления: GBW = 3,9 ГГц
- Шум входного напряжения: e_n = 0,85 нВ / кГц
- Шумы входного тока: i_n = 2.5pA / rtHz
- емкость фотодиода: C_d = 100 пФ при смещении 3 В
Конструкция печатной платы следовала многим из предложенных методов компоновки (минимизация длины дорожек, пропускание компонентов обратной связи под операционным усилителем, изоляция чувствительных дорожек от плоскости земли и т. Д.). Кроме того, источник напряжения был сильно отфильтрован с использованием развязывающих конденсаторов, а операционный усилитель OPA820 был использован для буферизации выходного сигнала.
Были взяты два спектра шума, один, где емкость обратной связи оставалась открытой, и другой, где она была установлена на 1,5 пФ:
Пунктирные линии представляют соответствующие теоретические кривые шума. Очевидно, что конденсатор вызывает расширение пика шума и сдвиг частоты, это противоречит теории, которая предполагает, что конденсатор обратной связи ослабляет усиление трансимпеданса и уменьшает высокочастотный шум.
Чтобы проверить это далее, была построена схема без фотодиода, вместо этого был добавлен конденсатор емкостью 100 пФ для имитации емкости диодного перехода, и измерения шума были повторены:
В этой схеме добавление конденсатора обратной связи вызывает шумоподавление подобно тому, как это предсказывает теория, предлагая мне, что простая фотодиодная модель конденсаторной емкости и источника тока может быть не совсем точной. Однако, просматривая литературу, я еще не нашел дискуссий об ограничениях этой модели, и я не видел никаких примеров такого поведения.
Поэтому мне интересно, сталкивался ли кто-нибудь еще с этой проблемой раньше или может понять, как добавление одного конденсатора вызывает большое расхождение между теорией и экспериментом?
(Прошу прощения за отсутствие принципиальных схем, я новый пользователь и на данный момент могу прикрепить только две ссылки на вопрос)
Изменить: Вот макет печатной платы для TIA с фотодиодом:
и вот схема схемы (стоит отметить, что фильтр низких частот между операционными усилителями не использовался, конденсатор был оставлен разомкнутым):
Редактировать 2: Обратите внимание, что на приведенных выше схемах фотодиод не имеет обратного смещения, во всех показанных спектрах шума он припаян с правильным смещением