Высокочувствительный фотодиодный усилитель с дифференциальным выходом

18 сентября 2013
Одним из главных недостатков традиционного фотодиодного усилителя является шум земли, что приводит к ухудшению характеристик устройства. Применение фотодиодного усилителя с дифференциальным выходом позволяет увеличить помехозащищенность и динамический диапазон, а также обеспечить более простое согласование с современными высокопроизводительными дифференциальными АЦП.

Традиционные фотодиодные усилители состоят из операционного усилителя (ОУ) с входом на полевых транзисторах (FET) для преобразования малых токов фотодиода в несимметричное напряжение, как показано на рисунке 1.

Одним из главных недостатков этой схемы является “шумная земля”, которая искажает выходное по отношению к земле напряжение. Преобразование тока фотодиода в дифференциальное напряжение вместо несимметричного, имеет преимущество в повышенной помехозащищенности и большем динамическом диапазоне (из-за дифференциальных сигналов), также как и более простое согласование с современными высокопроизводительными дифференциальными АЦП. Схема на рисунке 2 состоит из операционного усилителя JFET с низким входным током ADA4627 и полностью дифференциального «усилителя-воронки» (funnelamplifier) AD8475 для реализации высокочувствительного фотодиодного усилителя с дифференциальным выходом.

 

Эта схема вырабатывает дифференциальное выходное напряжение, равное VOUT = 2·IPHOTO·RF. Емкость CP является комбинацией паразитных емкостей фотодиода, входа ОУ и проводников печатной платы, которая совместно с резистором RF создает полюс на частоте fp = 1/(2πRFCP). Если fp значительно ниже, чем fu/2, где fu – граничная частота единичного усиления, то необходима компенсация для предотвращения чрезмерного звона или колебаний. Одним из способов стабилизации схемы является добавление компенсирующего конденсатора CC параллельно с RF, создавая ноль на частоте fz = 1/(2πRFCC). Для надлежащего запаса по фазе CC выбирается таким, чтобы частота нуля была равна геометрическому среднему от fp и fu/2, т. е. fz = √(fp·(fu/2)) ≈ 0,707√(fp·fu). Полоса схемы компенсации в этом случае равна f3dB = fz = 1/(2πRFCC).

Дополнительно может быть установлено синфазное напряжение системы путем подачи требуемого напряжения на вход VOCM усилителя AD8475. Данное напряжение может быть получено от любой схемы опорного напряжения, включая встроенную в АЦП, или от источника напряжения через резистивный делитель. Если вывод VOCM оставить плавающим, то выходное синфазное напряжение будет само смещаться примерно к нулю вольт.
На рисунке 3 изображена измеренная частотная характеристика компенсированной и некомпенсированной схем при RF = 100 кОм и использовании фотодиода FDS100 фирмы Thorlab. Для максимальной чувствительности фотодиод работает в фотоэлектрическом режиме (photovoltaicmode), который устраняет темновой ток и снижает шумы благодаря увеличенной емкости перехода и сниженной полосе. Чувствительность системы достигает 0,12 В на микроватт падающейсветовой мощности.

 

Моше Герстенхабер (Moshe Gerstenhaber) и Марк Чампион (Mark Champion), Analog Devices, Inc.
 

Оставить комментарий