Усовершенствование фотодиодного усилителя с помощью согласованной пары полевых транзисторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Paul Rako

Electronic Design

Использование схемы нейтрализации с полевым транзистором может улучшить динамический отклик фотодиода, но при этом добавляет нежелательное постоянное напряжение. Устранить эту проблему можно с помощью сдвоенного полевого транзистора с p-n переходом.

У Linear Technology есть хорошее руководство [1] по использованию дискретных полевых транзисторов для улучшения динамического отклика фотодиодов большой площади. В схеме применяется повторитель напряжения на полевом транзисторе, включенный со стороны катода фотодиода (Рисунок 1). Такое включение устраняет эффекты влияния внутреннего сопротивления и емкости фотодиода. Если напряжение на фотодиоде не меняется, сопротивление и емкость не сказываются на работе схемы. И динамическая нейтрализация паразитных параметров с помощью полевого транзистора не влияет на фототок, генерируемый диодом.

Рисунок 1.	Для динамической нейтрализации паразитных параметров катода фотодиода в этой схеме используется полевой транзистор с p-n переходом. Он устраняет влияние сопротивления и емкости диода. Это расширяет полосу пропускания и снижает шумы, однако создает постоянное напряжение на фотодиоде.

Полоса пропускания у полевого транзистора больше, чем у усилителя, поэтому нейтрализация расширяет полосу пропускания усилителя при единичном усилении. Благодаря нейтрализации, кажущаяся емкость на выходе усилителя равна нулю при внутренней емкости фотодиода 3000 пФ. Исключение этой емкости удаляет из передаточной характеристики входной полюс или запаздывание, позволяя использовать меньший конденсатор частотной коррекции, что расширит полосу частот схемы (Рисунок 2).

Рисунок 2.	SPICE-модель демонстрирует расширение полосы пропускания схемы за счет цепи динамической нейтрализации на полевом транзисторе. Полоса пропускания схемы без нейтрализации составляет 16.6 кГц, а с полевым транзистором она увеличивается до 383.7 кГц.

Преимущества нейтрализации

Схема нейтрализации также оказывает благотворное влияние на шум. Шумы фотодиодного усилителя, работающего как трансимпедансный усилитель (TIA), представляют собой сложное сочетание шума диода, токовых шумов усилителя, шумов напряжения усилителя и тепловых шумов Джонсона резистора обратной связи. Напряжение смещения усилителя и эквивалентное входное напряжение шумов умножаются на шумовое усиление схемы и появляются на выходе. В руководстве по операционным усилителям Analog Devices [2] показано, что шумовое усиление для сигналов низких частот определяется выражением

а шумовое усиление для сигналов высоких частот равно

где C_IN и R_IN – емкость и сопротивление фотодиода, соответственно.

Поскольку нейтрализация делает сопротивление фотодиода практически бесконечным, коэффициент усиления шума для низкочастотного сигнала равен 1. Это означает, что напряжение смещения усилителя, проходя на выход, не умножается.

По высоким частотам все почти так же хорошо. Без полевого транзистора входная емкость схемы представляет собой сумму емкости диода, емкости и любой паразитной емкости печатной платы. Доминирующей здесь является емкость диода 3000 пФ, поэтому коэффициент усиления шума для высокочастотных сигналов составляет 1 + 3015/0.25 или 12,061. С полевым транзистором входная емкость схемы падает до значения суммы емкости транзистора, входной емкости усилителя и паразитной емкости.

Теперь шумовое усиление для высоких частот равно 1+25/0.25 или 101. Эквивалентный входной шум усилителя умножается на это шумовое усиление. Улучшения шумовых характеристик схемы очевидны: коэффициент усиления шума для высокочастотных сигналов изменяется с 12,061 до 101. Полевой транзистор добавляет среднеквадратичное значение 1 нВ/√Гц к шумам усилителя 8 нВ/√Гц, в результате чего получается 8.2 нВ/√Гц. Эта среднеквадратичная добавка показывает, что в схеме доминирует намного большее эквивалентное входное напряжение шумов усилителя.

К сожалению, полевой транзистор создает постоянное напряжение на фотодиоде. Вы можете заключить это, нарисовав нагрузочную линию для сопротивления 4990 Ом на передаточной кривой транзистора, приведенной в техническом описании (Рисунок 3). Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя заземлен, потенциал инвертирующего вывода, если не учитывать любые ошибки, вносимые напряжением смещения, также должен равняться потенциалу земли. Это означает, что затвор полевого транзистора заземлен. Следовательно, когда напряжение затвор-исток меняется от –1 до 0 В, напряжение на резисторе R_BIAS меняется от 6 до 5 В. Таким образом, ток через R_BIAS и транзистор меняется от 1.2 до 1 мА.

Рисунок 3.	Нагрузочная линия для сопротивления 4.99 кОм, нарисованная на взятой из технического описания сток-затворной характеристике транзистора, показывает, что для разных транзисторов ошибка постоянного смещения может составлять от 0.35 до 0.9 В.

Нагрузочная линия, нарисованная на взятой из технического описания сток-затворной характеристики транзистора BF862 (Рисунок 3), показывает, что обратное смещение фотодиода, создающее его темновой ток, составляет от 0.35 до 0.9 В. Этот постоянный ток проявится на выходе как ошибка. Хуже того, из-за большого разброса передаточных характеристик полевых транзисторов эта ошибка будет различной для каждой схемы. Постоянное напряжение и порождаемая им ошибка также будут меняться с температурой.

Решение в согласовании

Кирквуд Раф (Kirkwood Rough) из компании Upstairs Amps предложил использовать согласованную пару полевых транзисторов с p-n переходом. Это снимает с фотодиода бóльшую часть постоянного напряжения (Рисунок 4). Нижний транзистор заменяет резистор источником тока, что улучшает отклик повторителя напряжения и делает его более точным.

Рисунок 4.	Использование сдвоенного полевого транзистора улучшает динамическую нейтрализацию и снижает постоянное напряжение на фотодиоде. Емкость, включенная параллельно истоковому резистору, уменьшает вклад шумов сопротивления.

Скотт Вурсер (Scott Wurcer) из Analog Devices предположил, что согласование резисторов в истоках полевых транзисторов даст гарантию, что напряжение катода фотодиода будет очень близким к 0 В (Рисунок 5). Использование усилителя с меньшим напряжением смещения также позволит уменьшить постоянное напряжение на диоде. Можно подключить параллельную емкость к истоковому резистору полевого транзистора динамической нейтрализации, чтобы снизить шумовой вклад этого дополнительного резистора.

Рисунок 5.	Постоянное смещение на фотодиоде становится еще меньше при согласовании сопротивлений истоковых резисторов двух полевых транзисторов.

Крутизна сдвоенного полевого транзистора LSK489 намного больше, чем у BF862. В сочетании с нагрузкой в виде источника тока, представленной другим полевым транзистором, это улучшает нейтрализацию, особенно на высоких частотах. Напряжение шумов усилителя AD8610B ниже на 2 нВ/√Гц, что еще больше улучшает шумовые характеристики. Его ток смещения в семь раз меньше, что уменьшит ошибку выхода по постоянному току. И наконец, его ошибка смещения вдвое меньше, чем у LTC6244.

Тем не менее, ничто не дается даром; полоса пропускания AD8610B в два раза уже, а цена будет, как минимум, на доллар больше. Мало того, это одиночный усилитель, тогда как LTC6244HV – сдвоенный. Полоса пропускания для этой схемы вполне адекватна, но стоимость вызывает вопросы.

Рисунок 6.	Используя потенциометры, можно очень точно компенсировать сколь угодно малое напряжение смещения на фотодиоде. Это полностью исключит любые ошибки темнового тока.

Из-за отклонения сопротивления резистора предложенная схема по-прежнему будет иметь непостоянные, хотя и небольшие, ошибки постоянного тока. Чтобы привести напряжение на катоде фотодиода к уровню земли с точностью до нескольких микровольт, можно добавить в схему регулировочные потенциометры (Рисунок 6), – еще одно предложение Кирквуда Рафа. Вурсер предположил [3], что операционный усилитель с низким смещением может поддерживать напряжение в точке смещения на уровне до нескольких микровольт. Пол Грох (Paul Grohe) из Texas Instruments отметил, что даже лабораторные источники питания добавляют в наши схемы много шума [4].

Чтобы получить оптимальное измерение шума, эти схемы следует питать от батарей. Затем вы можете использовать полученные результаты измерений в качестве базового уровня для оценки влияния шумов источников питания в проектируемом вами устройстве.

Ссылки

Материалы по теме