Amplificateur de transimpédance amorcé (TIA) – Instabilité haute fréquence

J-Pease

Amplificateur de transimpédance amorcé (TIA) – Instabilité haute fréquence


J’ai construit un amplificateur de transimpédance dans l’espoir d’obtenir des performances à gain élevé (5 kΩ) et à large bande passante (50 MHz) en utilisant la photodiode FGA21, l’ampli-op OPA657 et le transistor 2N2369. Les spécifications clés comprennent:

  • Gain de bande passante produit: GBW = 1,6 GHz
  • Capacité de la photodiode: Cd> 100pF

Pour étendre la bande passante de l’amplificateur, j’ai implémenté l’architecture bootstrap, comme illustré dans la figure ci-dessous: Disposition du circuit TIA amorcé

Ici, la photodiode est remplacée par le circuit équivalent. Ce circuit a été construit et pour confirmer un fonctionnement stable, une mesure du bruit de tension a été enregistrée:

Bruit de tension de sortie

Cela montre une caractéristique de bruit lumineux à 50 MHz, ce qui est problématique car il est proche de la bande de fréquence d’intérêt pour notre application. Pour explorer davantage ce comportement, la sortie du détecteur a été mesurée sur un oscilliscope et une sortie CC + 120 mV propre a été observée, ce qui est cohérent avec le courant de base fourni par le transistor. Lorsque la photodiode est illuminée, la sortie commence à diminuer comme prévu à partir d’un amplificateur inverseur, cependant, à mesure qu’elle approche de 0 V, la sortie commence à osciller considérablement (amplitude + -500 mV) à la fréquence de résonance de 50 MHz. Suggérer cette fonction de résonance est excité.

Mes seules explications sont les suivantes:

  • Le transistor 2N2369 n’est pas assez rapide pour assurer la stabilité à 50 MHz
  • Et / ou lorsque la photodiode est illuminée, le courant de la photodiode contrecarre le courant de base et coupe le transistor lorsqu’il atteint un niveau approprié, réduisant encore plus le gain à 50 MHz et provoquant des oscillations spectaculaires.

Cependant, je ne suis convaincu d’aucune de ces réponses car le modèle SPICE de ce circuit ne prévoit pas de résonances à ces fréquences. Toute idée sur la cause de / solution à ces problèmes serait grandement appréciée.

(MODIFIER: Veuillez trouver la disposition du tableau ci-dessous pour référence) entrez la description de l'image ici

Sven B

Avez-vous essayé d’augmenter Cf pour améliorer la stabilité? La stabilité est très dépendante de la capacité totale à la terre à l’entrée, donc si votre capacité d’entrée réelle est plus élevée que dans les simulations (par exemple en raison du circuit de bootstrap qui ne fonctionne pas parfaitement, des problèmes de disposition, etc.), cela pourrait conduire à une instabilité.

J-Pease

Merci pour votre suggestion Sven, je n’ai pas essayé d’augmenter le condensateur de rétroaction au-delà de 1pF. Cela dit, sur la base de certains de mes travaux antérieurs avec les configurations TIA standard (c’est-à-dire non amorcées) avec la même photodiode et l’ampli opérationnel, les pics de bruit ont tendance à être à ~ 10 MHz si l’amplificateur n’est pas correctement compensé. Je pourrais essayer d’augmenter davantage le Cf pour examiner l’effet sur le pic de 50 MHz, mais je crains que cela ne fasse que réduire davantage ma bande passante et compenser les améliorations potentielles de la configuration amorcée.

Sven B

J’ai lu que vous visiez 50 MHz. C’est env.

J-Pease

Salut Sven, je crois que vous avez fait une erreur dans votre calcul, cela donnera une bande passante de 50 kHz et non de 50 MHz.

Sven B

Oui, tu as raison, ma mauvaise. J’ai utilisé 1pF = 1e-15F, mais c’est évidemment incorrect. Je devrais m’abstenir de poster quand je viens de me réveiller 😉

Réponses


 Andy aka

Je ne suis pas convaincu à 100% que l’OPA657 peut produire d’excellents résultats lorsqu’il est utilisé à l’aide d’un circuit d’amorçage comme vous l’avez fait. Le bootstrap remplit une fonction principale et est de «convaincre» le circuit TIA que l’auto-capacité de la photodiode est beaucoup plus petite.

Avoir une capacité de photodiode plus petite signifie que le gain de bruit est considérablement réduit et vous pouvez vous permettre de réduire le condensateur de rétroaction afin d’obtenir plus de bande passante. Cependant, l’OPA657 est compensé en interne pour des gains de dix, ce qui signifie qu’à des gains proches de l’unité, il pourrait devenir instable ou montrer des signes de bruit excessif. Considérez cette section de la fiche technique: –

entrez la description de l'image ici

C’est pour un TIA conventionnel non amorcé et bien que vous puissiez penser qu’il s’agit d’un gain unitaire, ce n’est pas le cas. Le « vrai » gain aux hautes fréquences est d’environ 49 pF / 0,55 pF = 90. Je ne parle pas ici de Vo / Iin – je parle du gain de bruit et le gain de bruit est d’environ 90 aux hautes fréquences. Cependant, cela est lié à la caractéristique de gain en boucle ouverte à environ 8 (voir figure 9.2.3).

En d’autres termes, il a un gain d’environ dix, c’est-à-dire le point pour lequel la compensation interne est optimisée.

En fin de compte, je pointe cela et je dis que cet ampli-op n’est pas adapté pour une utilisation en tant que TIA amorcé, mais il pourrait y avoir d’autres raisons telles qu’un mauvais découplage sur les rails d’alimentation, une mauvaise disposition des circuits imprimés, etc.

J-Pease

Merci beaucoup pour votre réponse détaillée Andy, c’est certainement quelque chose que je n’avais pas envisagé lors de la conception de ce circuit. Je peux essayer d’utiliser le LMH6624 au lieu de l’OPA657, il a un GBW similaire et en regardant à travers la fiche technique, il ne semble pas être compensé en interne. J’ai également inséré une image de la disposition des PCB dans le post principal, j’ai essayé de suivre la plupart des techniques de conception suggérées que j’ai trouvées en ligne, mais il y a probablement des domaines que je peux améliorer!

J-Pease

Salut Andy, après avoir échangé l’OPA657 pour le LMH6624, je vois des performances de bruit bien meilleures, il y a toujours un léger pic à 50 MHz mais il ne domine plus le spectre et la sortie est maintenant stable sur toute sa plage dynamique. Merci encore pour votre aide.

Andy aka

@ J-Pease, c’est probablement la chance qui fait que le LMH fonctionne mieux – si vous regardez la DS, elle dit stable pour des gains> 10 à la page 1, alors sachez que vous pouvez probablement vous attendre à des problèmes avec elle. Cet assistant photodiode d’ADI peut vous être utile même s’il ne s’agit que de sélectionner un ampli-op meilleur / plus fiable. J’utiliserais également un outil de simulation pour déterminer rapidement si l’ampli op A ou B est meilleur. De plus, recherchez également en utilisant un JFET comme périphérique d’amorçage – le BF862 vient à l’esprit.

J-Pease

Salut Andy, quels avantages y aurait-il à utiliser le JFET au lieu d’un transistor BJT standard dans le bootstrap? J’ai jeté un œil à la littérature et certains amplificateurs bootstrap ont utilisé le BF862, mais ils ne fournissent pas de raisons pour lesquelles cet appareil a été choisi.

Andy aka

@ Le fonctionnement à haute fréquence de J-Pease peut être un avantage et certainement si vous avez besoin d’une précision CC, le JFET ne nécessite aucun courant de polarisation.


 Brian Drummond

Une, ah, base que vous devrez peut-être couvrir: il est étonnamment facile de construire un oscillateur Colpitt accidentel avec un transistor NPN à usage général.

Le remède habituel pour cela est une résistance de « butée de base » – une résistance plus petite (commencez par 100R et réduisez si vous le pouvez) immédiatement en série avec la base (aussi près que possible physiquement, pour minimiser le couplage capacitif dans la base).

Le courant de base étant faible, cela devrait avoir un effet minimal sur les signaux utiles.

J-Pease

Merci pour la suggestion très utile Brian, je craignais que les processus parasites ne soient à l’origine de cela, en particulier du fait que cette fonctionnalité est à une fréquence si élevée et est assez élevée Q. Cependant, comme je suis sûr que vous ‘ sachant qu’il est souvent difficile de déterminer où ces processus parasites se produisent. Je vais souder dans une petite résistance et fournir une mise à jour si c’est la cause de mon problème.

 

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