Amplificateur de transimpédance à faible bruit (TIA) - pourquoi l'ajout d'un condensateur de rétroaction provoque-t-il un pic de bruit de tension?

Je travaille sur un amplificateur de transimpédance à faible bruit (TIA) pour la détection de signaux optiques faibles. L'objectif est d'atteindre une bande passante de 10 MHz avec un plancher de bruit de tension blanc de 10-20nV / rtHz. J'utilise la photodiode FGA21 et l'ampli-op OPA847 avec une résistance de rétroaction de 10kohm fonctionnant en mode photoconducteur.

Les spécifications clés comprennent:

• Gain de produit de largeur de bande: GBW = 3,9 GHz
• Bruit de tension d'entrée: e_n = 0,85nV / rtHz
• Bruit de courant d'entrée: i_n = 2,5pA / rtHz
• capacité de la photodiode: C_d = 100pF @ 3V polarisation

La conception du PCB a suivi de nombreuses techniques de mise en page suggérées (minimisation de la longueur des pistes, passage des composants de rétroaction sous l'ampli-op, isolation des pistes sensibles du plan de masse, etc.). De plus, l'alimentation en tension a été fortement filtrée à l'aide de condensateurs de découplage et l'OP-Amp OPA820 a été utilisé pour tamponner la sortie.

Deux spectres de bruit ont été pris, l'un où la capacité de rétroaction a été laissée ouverte et l'autre où elle a été réglée à 1,5 pF:

Les lignes en pointillés représentent les courbes de bruit théoriques correspondantes. De toute évidence, le condensateur provoque l'élargissement et le décalage de la fréquence du pic de bruit, ce qui contredit la théorie qui suggère qu'un condensateur de rétroaction atténue le gain de transimpédance et réduit le bruit à haute fréquence.

Pour tester cela davantage, un circuit a été construit sans la photodiode, à la place, un condensateur de 100pF a été ajouté pour imiter la capacité de jonction de la diode et les mesures de bruit ont été prises:

Dans ce circuit, l'ajout d'un condensateur de rétroaction provoque une atténuation du bruit similaire à ce que la théorie prédit, ce qui me suggère que le modèle de photodiode simple d'une capacité de jonction et d'une source de courant peut ne pas être complètement précis. Cependant, en parcourant la littérature, je n'ai pas encore trouvé de discussions sur les limites de ce modèle, ni vu d'exemples de ce comportement.

Je me demande donc si quelqu'un d'autre a déjà rencontré ce problème ou peut comprendre comment l'ajout d'un seul condensateur provoque une grande disparité entre la théorie et l'expérience?

(Veuillez excuser le manque de schémas électriques, je suis un nouvel utilisateur et je ne peux pour l'instant joindre que deux liens par question)

Edit: Voici la disposition du PCB pour le TIA avec photodiode:

et voici le schéma du circuit (il convient de noter que le filtre passe-bas entre les amplificateurs opérationnels n'a pas été utilisé, le condensateur a été laissé ouvert):

Edit 2: Notez dans les schémas de circuits ci-dessus que la photodiode n'est pas polarisée en inverse, dans tous les spectres de bruit montrés, elle est soudée dans la polarisation correcte

Je ne suis pas sûr spécifiquement du bruit sur votre circuit, mais voici un guide d'aide assez complet pour la présentation des circuits TIA:

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

Je ne peux pas dire si vous avez annulé le sol et le plan d'alimentation sur votre trace d'entrée de la photodiode. Cependant, vous pouvez essayer ce qui suit. Placez le capuchon d'entrée et la résistance sur l'extrémité (pierre tombale). Souder un fil très fin (40 AWG peut-être) d'une extrémité qui est en suspension dans l'air à la broche de sortie de la photodiode. Cela minimisera la capacité d'entrée et vous donnera ainsi la meilleure réponse haute fréquence.

Une autre chose moins drastique à essayer est de couper les coussinets de Rf et de Cf le plus petit possible, puis de les souder sur la planche de côté. La capacité d'entrée parasite est votre ennemie aux hautes fréquences, et ces deux idées visent à la minimiser. Bien que coûteux en production de masse, il peut vous donner quelques idées pour améliorer les performances.

Quelques autres idées - utilisez 0402 au lieu de 0805 ou 0603. Cela diminuera également la capacité d'entrée.

Une autre idée qui était également dans la littérature LT était d'exécuter une trace de masse entre les plots de votre résistance d'entrée. Cela porte la force du champ à 0. Honnêtement, je n'ai pas une bonne idée de la façon dont cela aide, mais ils entourent quelques mots autour du lien que j'ai donné ci-dessus.

Bonne chance! Vous devriez publier quelques captures d'écran de votre réponse en fréquence et nous faire savoir ce que vous avez fait - ce qui a fonctionné et ce qui n'a pas fonctionné.

Votre condensateur de rétroaction doit être supérieur à 10pF car la capacité de la photodiode est supérieure.

Le condensateur en lui-même aura une impédance beaucoup plus faible que la photodiode, et je pense donc que l'on pourrait s'attendre à ce que le circuit soit moins stable. Il semble qu'il résonne même un peu au pic de 10 MHz, vous aurez donc peut-être besoin d'un condensateur de rétroaction plus grand. Si 1,5 pF est autour de la bonne valeur, l'utilisation d'un condensateur de trimmer réel peut être pratique pour le réglage s'il n'augmente pas trop les longueurs de chemin et ainsi de suite.

Je ne connais pas moi-même correctement la théorie, je ne peux donc que donner des conseils de base.

D'après mon expérience, il semble que vous rencontrez le mode de retour de condensateur. Ce qui fait que votre tension crée des pics comme le vôtre. Pour résoudre ce problème, je recommanderais d'utiliser un condensateur plus grand ou d'ajouter une résistance supplémentaire au système avant le condensateur.