Amplificatore di transimpedenza a basso rumore (TIA): perché l'aggiunta di un condensatore di feedback provoca picchi di rumore in tensione?

Sto lavorando ad un amplificatore di transimpedenza (TIA) a basso rumore per il rilevamento di segnali ottici deboli. L'obiettivo è ottenere una larghezza di banda di 10 MHz con un rumore di fondo a tensione bianca di 10-20 nV / rtHz. Sto usando il fotodiodo FGA21 e l'OP-Amp OPA847 con un resistore di feedback da 10kohm che funziona in modalità fotoconduttiva.

Le specifiche chiave includono:

• Ottieni il prodotto di banwidth: GBW = 3,9 GHz
• Rumore di tensione in ingresso: e_n = 0,85nV / rtHz
• Rumore di corrente in ingresso: i_n = 2,5pA / rtHz
• capacità del fotodiodo: polarizzazione C_d = 100pF @ 3V

Il design del PCB ha seguito molte delle tecniche di layout suggerite (minimizzazione della lunghezza della traccia, passaggio dei componenti di feedback sotto l'amplificatore operazionale, isolamento delle tracce sensibili dal piano di massa, ecc.). Inoltre, l'alimentazione di tensione è stata pesantemente filtrata mediante condensatori di disaccoppiamento e l'amplificatore operazionale OPA820 è stato utilizzato per bufferizzare l'uscita.

Sono stati presi due spettri di rumore, uno in cui la capacità di feedback è stata lasciata aperta e uno in cui è stato impostato su 1,5pF:

Le linee tratteggiate rappresentano le corrispondenti curve teoriche del rumore. Chiaramente il condensatore fa sì che il picco del rumore si allarghi e si sposti in frequenza, questo contraddice la teoria secondo cui un condensatore di feedback smorza il guadagno di transimpedenza e riduce il rumore ad alta frequenza.

Per testare ulteriormente questo è stato costruito un circuito senza fotodiodo, invece è stato aggiunto un condensatore da 100pF per imitare la capacità di giunzione del diodo e le misure del rumore sono state riprese:

In questo circuito l'aggiunta di un condensatore di retroazione fa sì che il rumore si attenui in modo simile a come la teoria lo prevede, suggerendomi che il semplice modello di fotodiodo di una capacità di giunzione e una sorgente di corrente potrebbe non essere completamente accurato. Tuttavia, cercando nella letteratura non ho ancora trovato discussioni sui limiti di questo modello, né ho visto alcun esempio di questo comportamento.

Quindi mi chiedo se qualcun altro abbia mai riscontrato questo problema prima o possa capire come l'aggiunta di un singolo condensatore causi una grande disparità tra teoria ed esperimento?

(Scusa la mancanza di schemi elettrici, sono un nuovo utente e al momento posso solo collegare due collegamenti per domanda)

Modifica: ecco il layout PCB per il TIA con fotodiodo:

ed ecco lo schema del circuito (vale la pena notare che il filtro passa-basso tra gli amplificatori operazionali non è stato utilizzato, il condensatore è stato lasciato aperto):

Modifica 2: Nota negli schemi circuitali sopra riportati il ​​fotodiodo non è polarizzato al contrario, in tutti gli spettri di rumore mostrati è saldato nella polarizzazione corretta

Non sono sicuro in particolare del rumore sul tuo circuito, ma ecco una guida di aiuto piuttosto ampia per la disposizione dei circuiti TIA:

http://www.linear.com/solutions/5633

Non riesco a capire se il fotodiodo ha annullato il terreno e il piano di potenza sulla traccia di input. Tuttavia, potresti provare quanto segue. Posizionare il cappuccio di ingresso e la resistenza sull'estremità (pietra tombale). Saldare un filo molto fine (forse 40 AWG) da un'estremità che viene trasportato dall'aria al pin di uscita del fotodiodo. Ciò ridurrà al minimo la capacità di ingresso e quindi offrirà la migliore risposta ad alta frequenza.

Un'altra cosa meno drastica da provare è tagliare i pad di Rf e Cf nel modo più piccolo possibile, quindi saldarli lateralmente sulla scheda. La capacità di input parassita è il tuo nemico alle alte frequenze, ed entrambe queste idee hanno lo scopo di minimizzarlo. Sebbene costoso nella produzione di massa, può darti alcune idee per renderlo migliore.

Alcune altre idee: usa 0402 invece di 0805 o 0603. Ciò ridurrà anche la capacità di ingresso.

Un'altra idea che era anche nella letteratura LT era quella di eseguire una traccia di massa tra i pad del resistore di input. Questo porta la forza del campo a 0. Sinceramente non ho una buona idea di come questo aiuti, ma ci avvolgono alcune parole nel link che ho dato sopra.

In bocca al lupo! Dovresti pubblicare alcuni screenshot della tua risposta in frequenza e farci sapere cosa hai fatto, cosa ha funzionato e cosa no.

Il condensatore di retroazione dovrebbe essere superiore a 10 pF poiché la capacità del fotodiodo è maggiore.

Il condensatore da solo avrà un'impedenza molto più bassa rispetto al fotodiodo, e quindi penso che ci si possa aspettare che il circuito sarà meno stabile. Sembra che stia anche risuonando leggermente al picco di 10 MHz, quindi potrebbe essere necessario un condensatore di feedback più grande. Se 1,5pF si trova attorno al valore corretto, l'uso di un condensatore di trimmer effettivo potrebbe essere utile per l'ottimizzazione se non aumenta le lunghezze del percorso e un valore eccessivo.

Io stesso non conosco bene la teoria, quindi posso solo offrire consigli di base.

Nella mia esperienza sembra che tu stia sperimentando la modalità flyback del condensatore. Il che sta causando la tua tensione a creare picchi che fanno schifo come i tuoi. Per risolvere questo problema, consiglierei di utilizzare un condensatore più grande o di aggiungere ulteriore resistenza al sistema prima del condensatore.