Was sind die Vorteile einer Hochspannung in diesem LTC6090-basierten Fotodiodenverstärker?

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In einem Artikel im LT Journal of Analog Innovation prahlt Linear Technology mit ihrem Hochspannungs-Operationsverstärker LTC6090 , der mit ± 70 Volt betrieben werden kann. Sie präsentieren eine beispielhafte Schaltung, einen Fotodiodenverstärker:

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Das ist vielleicht beeindruckend; Ich weiß nicht viel über Fotodiodenverstärker.

Was mir seltsam vorkommt, ist, dass die Rückkopplungsschleife zwar mit Spannungen bis zu 120 Volt arbeitet und dabei den vergrößerten Spannungsbereich ausnutzt, dann aber einen Spannungsteiler von 1:10 am Ausgang anbringt, was die Vorteile scheinbar zunichte macht.

Warum nicht den 10-MΩ-Widerstand durch 1 MΩ ersetzen und den Ausgangsteiler entfernen? Dann können Sie einen vollständig durchschnittlichen Operationsverstärker verwenden, da der Ausgang nur zwischen 0 und 12 Volt schwingen muss.

In meinen Simulationen hat mir das Verringern der Rückkopplungsspannung eine Reihe von Vorteilen gebracht:

  • Höhere Bandbreite (mit demselben LTC6090)
  • Der Kondensator mit 0,3 pF kann erhöht werden, wodurch die Layoutanforderungen gelockert werden
  • Niedrigere Ausgangsimpedanz
  • Eine größere Auswahl an Operationsverstärkern ist jetzt verfügbar
  • ...und so weiter

Ich habe im Artikel und im Datenblatt nach Gründen dafür gesucht, konnte aber keine finden. Vielleicht ist es für Leute, die Erfahrung mit Fotodiodenverstärkern haben, offensichtlich, aber da die "Rückkopplungswirkung" sicherstellt, dass die Fotodiode die gleiche Potentialdifferenz sieht, sollte sie ihr Verhalten nicht beeinflussen - es werden 3 Volt über sie gelegt und der gleiche Strom fließt .

Warum wird diese Schaltung durch eine hohe Rückkopplungsspannung verbessert?

Rohr
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Ich denke, da hier so viele TIA-Fragen für Fotodioden zu sehen sind, besteht dieser Teil des Schaltungspunkts darin, eine hohe Impedanz um die Diode herum zu haben. 10 M und fraktionierter pF in Verbindung mit dem sehr niedrigen Vorspannungsstrom des LTC6090 scheinen dieses Ziel zu erreichen. Der SFH213 sieht ziemlich typisch aus, aber ich habe nicht das Wissen, um viel über seine Spezifikationen in dieser Anwendung zu verstehen.
user2943160

Antworten:

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Warum nicht den 10-MΩ-Widerstand durch 1 MΩ ersetzen und den Ausgangsteiler entfernen?

Es geht um das thermische Rauschen des 10-Mohm-Widerstands. Ein 10-Mohm-Widerstand bei 20 ° C erzeugt eine Rauschspannung von 90 uV RMS über eine Bandbreite von 50 kHz.

Vergleichen Sie dies mit einem 1-Mohm-Widerstand - er erzeugt ein Rauschen von 28 uV über dieselbe Bandbreite bei derselben Temperatur. Das ist keine Reduzierung der Rauschspannung um 10: 1, und darum geht es hier.

Wenn Sie also den 10-Mohm-Widerstand verwenden (um die zehnfache Signalverstärkung zu erzielen) und anschließend 10: 1 mit Widerständen mit "niedrigem" Wert abschwächen, erzielen Sie eine signifikante Nettoverbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (10). Es gibt andere Faktoren, die dies nicht so gut machen, wie es sich anhört (wie die Rauschverstärkung der Schaltung aufgrund der Eigenkapazität der Fotodiode), aber im Allgemeinen wird das SNR zwischen 5 dB und 10 dB verbessert.

Hier ist eine Theorie über die Rauschleistung, die von Widerständen über eine bestimmte Bandbreite erzeugt wird. Wenn Sie reelle Zahlen sehen müssen, verwenden Sie diese Website als Taschenrechner: -

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Die Rauschleistung steigt mit dem Widerstand, aber die Rauschspannung steigt nur mit der Quadratwurzel des Widerstands. Die Signalspannung steigt mit dem Widerstand.

Warum wird diese Schaltung durch eine hohe Rückkopplungsspannung verbessert?

Wenn der Zielsignalausgangspegel (sagen wir) 10 Vp-p beträgt und Sie den gezeigten Rauschreduzierungsansatz anwenden, müssen Sie ein Signal erzeugen, das 100 Vp-p ist, um auf 10 Vp-p dämpfen zu können.

Andy aka
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+1, obwohl ich nicht sicher bin, ob OP die (ziemlich bekannte) Theorie realistisch bezweifelt - die Frage scheint mir, dass das thermische Rauschen des Rückkopplungswiderstands nicht als Überlegung erwähnt wird, geschweige denn die dominante eine, bei der Ableitung dieses Entwurfs. Neben dem Rauschen gibt es noch einige andere vernünftige Überlegungen, die, wie OP hervorhebt, unterschiedliche optimale Designs ergeben.
Oleksandr R.
Ja, ich ahll ändere meine Worte, da @pipe dies wahrscheinlich versteht.
Andy aka
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Ich war mir zwar des Widerstandsrauschens bewusst, aber nicht dieses Tricks! Natürlich habe ich angenommen, dass ein höherer Widerstand in der Schleife zu mehr Rauschen führt, aber es ist mir nicht in den Sinn gekommen, dass Sie die Verhältnisse ausgleichen und die Nase vorn haben, indem Sie der Gleichung noch mehr Widerstand hinzufügen .
Pipe