Med nya transimpedansförstärkare är det möjligt att få höga prestanda i fotodiodkretsar över ett brett frekvensområde samtidigt med hög dynamik.

Fotodioder omvandlar ljus till en ström eller spänning som sedan kan användas för elektronikkretsar i allt från solceller till optiska datanät, från precisionsinstrument till kromatografi till medicinsk bildgivning. Gemensamt för alla dessa tillämpningar är att de behöver kretsar för att buffra och skala upp fotodiodens utsignal. För tillämpningar som kräver hög hastighet och högt dynamiskt område används ofta transimpedansförstärkare (TIA), liknande den i fig 1. Återkopplingskapacitansen visas i figuren som en parasitisk kapacitans. I många tillämpningar har kondensatorn medvetet placerats så för att se till att kretsen är stabil.

Fig 1. Transimpedansförstärkare.

I denna krets är fotodioden i “fotoledande läge” med en förspänning (bias) lagd på katoden. Den virtuella kopplingen mellan operationsförstärkarens båda ingångar håller anoden vid jord, vilket ger en konstant backspänning över fotodioden.
Ekvavilentschemat för en fotodiod kan ses som en strömkälla (proportionell mot ljusstyrkan), en kondensator, ett stort motstånd och så kallad mörkerström (den lilla ström då inga fotoner är närvarande) som tillsammans  parallellkopplats. Ju större förspänningen är över dioden, desto mindre brukar fotodiodens kapacitans bli. Men medan detta är bra för hastigheten begränsar i praktiken fotodiodens förmåga att klara stora backspänningar.
Den ström som fotodioden genererar (I_PD) förstärks av TIA-kretsen och omvandlas till en utspänning genom transimpedansförstärkarens motstånd (här även kallat återkopplingsmotstånd, eller RF).
Idealiskt sett flyter strömmen genom R_F (dvs I_FB = I_PD), men i praktiken introducerar förstärkaren en felaktig ström i form av operationsförstärkaringångens biasström. Denna biasström resulterar i felaktig spänning på utgången och begränsar det dynamiska området. Ju större förstärkningsmotståndet är, desto större blir denna effekt. Det är viktigt att välja en förstärkare med tillräckligt låg biasström (liksom ingående offsetspänning och avdrift för denna) för att åstadkomma det dynamiska område och den sammanlagda noggrannhet som krävs.

Fet-ingång är bättre
En annan sak att beakta är effekten av att op-förstärkarens inström varierar över temperaturen. Operationsförstärkare med bipolära ingångssteg har ganska konstant inström, men strömmen är även i rumstemperatur så hög (nA eller t o m µA) att obuffrade bipolära förstärkare inte lämpar sig för många förstärkningstillämpningar med hög transimpedans.
Av det skälet är ofta op-förstärkare med ett FET-ingångssteg att föredra framför bipolära förstärkare eftersom de har naturligt lägre inström – ofta i det ensiffriga pikoampere-området eller annu lägre i rumstemperatur. Ingående ESD-skyddsdioder läcker dock när de blir varma, vilket gör att inströmmen stiger exponentiellt med temperaturen. Det är inte ovanligt att en opertionsförstärkare med biasström räknad i pikoampere i rumstemperatur har inström räknad i nanoampere vid 125°C.
Ett alternativ är att använda en diskret FET för att buffra fotodioden vid förstärkarens ingång, men det kräver ytterligare en komponent och därmed mer kortutrymme och har även relativt hög inkapacitans. Ett annat alternativ är att använda den nya femtoamp-baserade op-förstärkaren för biasström LTC6268, som har en ingående biasström på normalt endast 3 fA vid 25°C. Den utnyttjar kopior av inspänningen till delade ESD-dioder för att effektivt hålla spänningen och strömmen över dioderna på extremt låg nivå vid normal drift. Typiska värden för inströmmen visas i fig 2.

Fig 2. LTC6268s ingående biasström förblir låg över temperaturen.

Medan denna ström fortfarande ökar med temperaturen är den flera storleksordningar mindre än hos andra förstärkare. Garanterad maximal inström är 0,9 pA vid 85°C och 4 pA vid 125°C. LTC6268s bentilldelning valdes noga för att hjälpa till att minimera kortets läckström, som kan bidra till mätfel.

Oväntade läckor
På femtoamp-nivå kan oväntade läckkällor komma från intilliggande signaler på kretskortet, både inom samma lager och från interna lager, all form av kontaminering på kortet från monteringen eller omgivningen, andra komponenter utmed signalvägen och t o m plasten i kapseln.
LTC6268 kommer kapslad i SOT-23 och SOIC. Trots att SOT-23-versionen har fördelen att den upptar mindre kortutrymme är SOIC det bästa alternativet för tillämpningar med låg ingående biasström. Denna kapsel har bredare benavstånd och V- har flyttats till kapselns andra sida, bort från ingångarna. Ben 1 och 4, intill ingångarna, har dessutom lämnats icke inkopplade för att underlätta ledningsdragning i form av en skyddsring. Detta är särskilt användbart för tillämpningar som utsätts miljöer av elektriska störnignar.
Man kan läsa mer om om hur man använder metoder som exempelvis skyddsringar för att skydda mot läckström finns i LTC6268s datablad, på sidorna 17 och 18.

Lågt brus
Eftersom det dynamiska området är förhållandet mellan den maximala utsignalen och brusnivån är det också viktigt att välja en operationsförstärkare med tillräckligt lågt brus. Operationsförstärkarens brus på såväl ström som spänning är av betydelse i varierande grad beroende på värdet för R_F och C_IN.
Inkapacitansen C_IN (se fig 3) är en kombination av fotodiodens kapacitans, förstärkarens inkapacitans och kortets läckkapacitans.

Fig 3. Inkapacitansen inkluderar kapacitans från sensor, kort och förstärkare.

I transimpedansbaserade förstärkarkretsar multipliceras strömbruset med RF, vilket gör att bruset uppträder som ett utspänningsfel. Förstärkarens spänningsbrus multipliceras dessutom med brusförstärkningen. Så för högre RF-värden dominerar strömbruset (i_n) mera, och för kretsar med högt C_IN dominerar spänningsbruset (e_n).
Det är svårt att hitta en op-förstärkare med både lågt strömbrus och lågt spänningsbrus. Det ingångsrefererade spännings- och strömbruset för LTC6268 är 4,3 nV/√Hz vid 1 MHz respektive 5,5 fA/√Hz vid 100 kHz, vilket är en bra balans.
Inkapacitansen begränsar också bandbredden. Ett sätt att närma sig detta är att beakta  impedansen för inkondensatorn som ett förstärkningsmotstånd (R_G) i en konventionell omvänd konfiguration för op-förstärkare. Ju större kondensatorn är, desto mindre impedans och större effektiv förstärkning (1+R_F/R_G), ofta kallad brusförstärkning, kommer op-förstärkaren att “se”.
Eftersom en förstärkares bandbredd är omvänt proportionell mot förstärkningen, på grund av att förstärkning-bandbreddsprodukten är konstant, innebär detta att en större inkapacitans begränsar kretsens bandbredd. Detta kan också övervägas i fråga om stabilitet. Kapacitans vid en operationsförstärkares ingång kan skapa en pol i frekvensdomänen eller en eftersläpning i tidsdomänen. Det går att kompensera för polen så att kretsen blir stabil genom tillägg av en (medveten, snarare än parasitisk) återkopplingskondensator (C_F). Ju större denna kapacitans är, desto mer begränsas kretsens bandbredd. Det är därför viktigt att välja en förstärkare med låg inkapacitans och göra en noggrann layout av kortet för att undvika läckande inkapacitans och återkopplingskapacitans.
Se sidorna 14 och 15 i LTC6268s datablad för praktiska tips för hur man kan få återkopplingskapacitansen att läcka mindre, vilket i praktiken ger mer än fyra gånger bättre kretsbandbredd. Med en inkapacitans på endast 0,45 pF bidrar LTC6268 bara med en liten del av den sammanlagda kretskapacitansen, vilket bevarar hög bandbredd.

Optimerad för snabba fotodioder
LTC6268 är ett bra exempel på en förstärkare optimerad för de prestanda som krävs för de snabba fotodiodkretsar med stort dynamiskt område som beskrivs i denna artikel. LTC6268 erbjuder 500 MHz förstärkningsbandbredd, vilket möjliggör de enstegskretsar som visas i LTC6268s datablad från 20 kohm transimpedansförstärkning med 65 MHz bandbredd till 499 kohm transimpedansförstärkning med 11,2 MHz bandbredd. LTC6268 har dessutom bred bandbredd, låg distortion och hög stigtid, vilket gör att den passar för digitaliserade höghastighetstillämpningar, såsom visas på sista sidan i LTC6268s datablad. Dess mycket höga impedans gör att den är idealisk för buffring av högimpedans-baserade eller kapacitiva källor.
Det finns även en dubbelkanalig version: LTC6269. Versioner med individuella avstängningsben minskar strömförbrukningen när förstärkarna inte används, vilket gör att dessa passar för multiplexade tillämpningar.
Trots att hundratals, om inte tusentals, operationsförstärkare finns att tillgå på marknaden är det ändå förvånansvärt svårt att hitta en lämplig transimpedansförstärkare för snabba fotodiodkretsar med högt dynamiskt område. Var och en kräver sin egen unika uppsättning prestandaegenskaper, inklusive extremt låg ingående biasström och temperaturdrift för inströmmen, hög hastighet (t ex förstärkning-bandbreddsprodukt samt stigtid), rätt balansen av lågt spännings- och strömbrus, samt låg inkapacitans.
Man bör också vara extra uppmärksam på kortlayouten för att minimera läckströmmen och läckkapacitanser, som begränsar kretsens noggrannhet och hastighet. LTC6268 representerar en ny klass av op-förstärkare, noggrant optimerade för just sådana högpresterande TIA-tillämpningar.

Filed under: Analogteknik