Machbarkeit eines 10-MHz-Transimpedanzverstärkers mit 100 dB Dynamikbereich

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Ich wurde gebeten, einen Fotodioden-Transimpedanzverstärker mit einer Bandbreite von 10 MHz herzustellen. Strombereich von 1 nA bis 100 uA (Strom von 5 Jahrzehnten) -> 100 dB Dynamikbereich.

Die Fotodiode ist eine Silizium-APD mit einer Sperrschichtkapazität von 6 pF .

Die logarithmische Komprimierung ist nicht geeignet, da 1.) dies eine Bildgebung ist und 2.) die volle Bandbreite für alle Signalstärken erforderlich ist.

Ich glaube, dass die rauschbezogene Rauschanforderung Vrms daher <1nA * Rf ist. Ich verstehe, dass der Vorspannungsstrom im Bereich von 1 bis 10 pA liegen sollte. Andere Parameter, die das Rauschen / BW beeinflussen, sind GBW, Eingangsrauschspannungsdichte und Eingangskapazität.

Das Problem ist, ich habe keinen einzigen Operationsverstärker mit niedriger Vorspannung gefunden, der in der Lage zu sein scheint. Ist diese Leistung überhaupt mit handelsüblichen Komponenten zu erreichen?

Berechnungstool, das ich für Bandbreite / Gesamtausgangsrauschen verwende (lassen Sie mich wissen, wenn dies schlecht ist)

Ein Vollausgang von 1 oder 2 V ist sinnvoll. Für den maximalen Eingang 100uA bedeutet dies Rf ~ = 20 kOhm. Daher sollte das Rauschen am Ausgang <= 1nA * 20K = 20uVrms sein.

Zum Beispiel habe ich mir die folgenden Operationsverstärker angesehen: ADA4817, LTC-6268, OPA657 haben alle ein Rauschen von ~ 1000 uVrms, erfüllen jedoch die Bandbreitenanforderungen.

Und diese Produkte mit niedrigerem GBW: AD8651, ADA4807, AD8655, OPA2301, OPA2365 machen gerade noch die Bandbreite, zeigen aber immer noch Ausgangsrauschen in der Größenordnung von 100-200 uVrms.

Könnte ich möglicherweise auch eine externe Eingangsstufe verwenden? Wie eine Art FET-Puffer, um den Eingang eines Operationsverstärkers mit höherer Vorspannung anzutreiben? Diskrete Transistorschaltungen sind nicht meine Stärke.

Vielen Dank für jede Hilfe, die Sie anbieten können.

Keegan Jay
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Ich werde nicht die Summen machen, also könnte dies direkt vom Strahl sein, aber werfen Sie einen Blick auf Texas OPA211. Ziemlich hohes Stromrauschen, könnte aber passen.
Neil_UK

Antworten:

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Grinsen Sie, Ihre Liste enthält alle guten TIA-Opamps, die ich kenne.
Dürfen Sie den Verstärkungswiderstand bei niedrigeren Lichtstärken ändern?
Wenn nicht, würde ich sagen, vielleicht eine größere Rückkopplung R, um bei maximaler Lichtstärke bis zu 10-20 V zu erreichen. Ich würde Sie auch an Phil Hobbs weiterleiten. Hier ist seine Website.
http://electrooptical.net/ Sie können nach unten scrollen, um rauscharme PD-Frontends zu sehen.
Sein Buch wird auch für Sie nützlich sein.

George Herold
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Nun, der Ausgang wird schließlich skaliert, um einen 16-Bit-ADC (theoretisches SNR ~ 98 dB) anzusteuern, sodass ich über den gesamten Strombereich die gleiche Verstärkung benötige. Ich werde jedoch die Zahlen durchgehen, um zu sehen, ob ein wirklich hoher Rf den vollen Dynamikbereich erreichen kann, bevor ich von einem Widerstandsteiler verkleinert werde, denke ich.
Keegan Jay
Eine größere Rückkopplung R ist typischerweise eine Verstärkung. Das Signal geht als R und das Rauschen als sqrt (R). Die andere Sache, die Sie versuchen sollten (in Phils Buch), ist, die Kapazität der Diode zu booten. Dies kann die Rauschverstärkung des TIA verringern.
George Herold
Ah ja, das macht Sinn R vs. sqrt (R) ... Vielen Dank, dass Sie die Phil Hobbs-Ressource erwähnt haben, die äußerst hilfreich erscheint.
Keegan Jay
Phil ist ein netter Kerl. Wenn Geld für eine Beratung zur Verfügung steht, können Sie ihm eine E-Mail schreiben und ihn nach seiner Meinung fragen. Wenn es dafür kein Budget gibt, ist er bei sci.optics und sci.electronics.design (usernet) und wenn Sie diese Frage dort stellen, können Sie seine Meinung kostenlos einholen. Oh, ich sehe, du bist ein Student, schick ihm vielleicht eine E-Mail. Fühlen Sie sich frei, meinen Namen zu verwenden.
George Herold
Akzeptieren, da dies die einzige Antwort mit Ressourcen ist, die alternative Ansätze für eine einfache Operationsverstärker-TIA vorschlagen.
Keegan Jay
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ADI hat einen netten Assistenten dafür: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es finden sich hier und vor allem können Sie auswählen , welche Operationsverstärker von der Seite oben. Die Liste enthält so ziemlich alle von ADI hergestellten Operationsverstärker, und es gibt viele, die mit dem Tag "empfohlen" geliefert werden. Es simuliert sie alle UND gibt Ihnen die Möglichkeit eines zweistufigen Designs.

Ich habe die Auswahl von AD8651 überprüft und dies wird nicht empfohlen. Daher habe ich mich für den AD8056 entschieden, um ihn mit Ihren Anforderungen auszuprobieren. Es hieß, das SNR würde 70,2 dB betragen. Probieren Sie es aus, aber ich vermute, Sie benötigen eine 2-Operationsverstärker-Lösung.

Andy aka
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Das Johnson-Rauschen Ihres Rückkopplungswiderstands selbst beträgt ~ 57 uV.

Es wird ziemlich schwierig sein, Ihre Anforderungen zu erfüllen.

Kevin White
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