Малошумящие усилители для фотодиодов большой и малой площади

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2018

Glen Brisebois, Analog Devices

Design Note 399

Введение

Фотодиоды можно разделить на две категории: фотодиоды большой площади с присущей им высокой емкостью (от 30 пФ до 3000 пФ) и фотодиоды меньшей площади с относительно низкой емкостью (10 пФ и меньше). Для преобразования тока фотодиода в напряжение с оптимальным отношением сигнал/шум обычно используется трансимпедансный усилитель, состоящий из инвертирующего операционного усилителя (ОУ) с резистором обратной связи. При проектировании малошумящих усилителей для фотодиодов большой площади первостепенное внимание надо обращать на снижение входных шумов напряжения ОУ, в то время как фотодиоды с небольшой площадью чувствительного элемента требуют уделять больше внимания входным токовым шумам ОУ и паразитным емкостям.

Усилители для фотодиодов малой площади

Фотодиоды малой площади имеют очень низкую емкость, типичное значение которой не превышает 10 пФ, а в некоторых случаях даже бывает меньше 1 пФ. Низкая емкость делает их более адекватными источниками тока на повышенных частотах, чем фотодиоды большой площади. Одной из проблем проектирования усилителей фотодиодов малой площади является обеспечение низкой входной емкости, чтобы шумы напряжения были минимальными, и преобладали токовые шумы.

Рисунок 1.	Трансимпедансный усилитель для фотодиода с малой площадью кристалла.

На Рисунке 1 изображена простая схема усилителя для фотодиода малой площади, в которой используется микросхема LTC6244. Входная емкость усилителя состоит и дифференциальной и синфазной составляющих, сумма которых равна приблизительно 6 пФ. Емкость небольшого фотодиода равна 1.8 пФ, так что в схеме доминирует входная емкость усилителя. Маленький конденсатор обратной связи является реальным компонентом (серия Accu-F компании AVX), однако из-за параллельной емкости выводов ОУ реальная общая емкость обратной связи, вероятно, составляет около 0.4 пФ. Это важно, поскольку емкость конденсатора обратной связи обеспечивает устойчивость схемы и определяет ее полосу пропускания. Конкретная конструкция, показанная на схеме, имеет полосу пропускания 350 кГц при уровне выходного шума 120 мкВ с.к.з., измеренном в этой полосе частот.

Усилители для фотодиодов большой площади

На Рисунке 2а представлен простой усилитель для фотодиода большой площади. Емкость фотодиода рана 3650 пФ (номинальное значение 3000 пФ) и существенно влияет на шумовые характеристики схемы. Например, на частоте 10 кГц такой емкости фотодиода соответствует импеданс 4.36 кОм, а значит шумовое усиление схемы ОУ с резистором обратной связи 1 МОм на этой частоте равно

Поэтому входное напряжение шумов микросхемы LTC6244 приходит на выход как

NG × 7.8 нВ/√Гц = 1800 нВ/√Гц,

что хорошо видно из спектра выходного шума, показанного на Рисунке 2б. Обратите внимание, что мы еще не учитывали ни токовый шум операционного усилителя, ни шум 130 нВ/√Гц резистора обратной связи, однако очевидно, что по сравнению с шумами напряжения ОУ и усилением шумов их вклад пренебрежимо мал. Для справки, смещение выхода этой схемы по постоянному току составляет примерно 100 мкВ, полоса пропускания 52 кГц, а суммарный шум, измеренный в полосе 100 кГц, равнялся 1.7 мкВ с.к.з.

Рисунок 2а.	Трансимпедансный усилитель для фотодиода с большой площадью кристалла.

Рисунок 2б.	Спектральная плотность выходного шума схемы Рисунок 2а. Почти весь выходной шум 1800 нВ/√Гц на частоте 10 кГц обусловлен вкладом шумового напряжения 7.8 нВ микросхемы LTC6244 и большим усилением шума резистора обратной связи 1 МОм, «смотрящего» на большую емкость фотодиода.

Усовершенствованный вариант этой схемы показан на Рисунке 3а, где большая емкость диода нейтрализуется полевым транзистором с эквивалентным входным напряжением шумов 1 нВ/√Гц. Напряжение сток-затвор (V_GS) этого полевого транзистора с обедненным каналом равно –0.5 В, так что благодаря сопротивлению R_BIAS он работает при токе стока всего 1 мА. В представленной схеме обратное напряжение смещения фотодиода равно напряжению V_GS, в результате чего емкость диода будет чуть меньше, чем в предыдущем случае (измеренное значение 2640 пФ), однако самый значимый эффект дает динамическая нейтрализация. Частотная зависимость выходного шума схемы представлена на Рисунке 3б. Напряжение шума на частоте 10 кГц теперь равно 220 нВ/√Гц, а на низких частотах проявляется порог тепловых шумов 130 нВ/√Гц резистора обратной связи 1 МОм. Это объясняется тем, что шум 7.8 нВ/√Гц операционного усилителя был эффективно заменен шумом 1 нВ/√Гц полевого транзистора, поскольку резистор обратной связи 1 МОм теперь не «оглядывается» на большую емкость фотодиода. Вместо этого он смотрит на емкость затвора полевого транзистора, входную емкость ОУ и некоторые паразитные емкости, в сумме составляющие примерно 10 пФ. А большая емкость фотодиода теперь оказывается включенной между затвором и истоком малошумящего полевого транзистора.

Рисунок 3а.	Нейтрализация емкости фотодиода большой площади.

Рисунок 3б.	Спектральная плотность выходного шума схемы Рисунок 3а. Простая цепь с полевым транзистором значительно улучшает шумы и полосу пропускания. Плотность шума на частоте 10 кГц теперь равна 220 нВ/√Гц – примерно в 8.2 раза меньше. В основном, это объясняется тем, что шум ОУ 7.8 нВ/√Гц был эффективно заменен шумом полевого транзистора1 нВ/√Гц.

Выполнив несложные вычисления, как и раньше, на частоте 10 кГц, получим, что импеданс емкости фотодиода равен 6 кОм, поэтому шум полевого транзистора 1 нВ/√Гц создает шумовой ток 1 нВ/6 кОм = 167 фА/√Гц. Этот шумовой ток неизбежно протекает через резистор обратной связи 1 МОм и проявляется на выходе как 167 нВ/√Гц. Добавление 130 нВ/√Гц резистора (среднеквадратичное значение) дает общую расчетную величину шума 210 нВ/√Гц, хорошо согласуясь с экспериментальными результатами на Рисунке 3б. Что еще значительно улучшилось в схеме – это полоса пропускания, которая теперь превышает 350 кГц, так как нейтрализация дала возможность уменьшить емкость конденсатора частотной коррекции. Заметьте, что цепь ослабления шума никак не влияет на точность усилителя по постоянному току, если не считать нескольких пикоампер тока затвора.

Материалы по теме