A GUIDE TO USING FETS FOR SENSOR APPLICATIONS-Photodiode Preamps

在某些JFET输入的运放比如AD743(用于声呐前置放大器;高动态范围滤波器(>140 dB);光电二极管和红外检测仪放大器;加速度计),输入电容大约是18至20pf.相比之下LSK489对管FET,输入电容大约是3pf,这会适合低噪声光电二极管应用.本章节中我们会看到为什么在光电二极管前置放大器中的低等效输入噪声和低输入电容变得重要.一个简单的光电二极管电路如下图8,这用了一个运放.

在下面的光电二极管放大器电路中,光照射到光电二极管PD1上面,电流在光电二极管PD1产生. PD1的阴极连接到U1的(-)的输入端,Vout产生一个正电压和进入光电二极管的光的量成比例.也在图8中,来自光电二极管的等效电容Cpd和(-)输入端,Cin(-),是平行连接的.为了最小化Cpd,光电二极管电容, PD1的正极是连接到-12V电源,用于最大反偏置来降低结电容.比如, 假如BPV10光电二极管用了, Cpd是2.7pf在12V反偏置.更低的反偏置电压比如1V，Cpd就是7pf.

图8: 一个简单的光电二极管跨阻放大器

对于低噪声的考虑,这两个电容Cpd和Cin(-)应该越低越好,因为运放的等效输入噪声密度电压,运放的Vnoise将会在下面的行为Vout被放大,忽略了来自光电二极管的任何的噪声电流:

1Hz带宽的Vout_噪声是=(Vnoise_input)

当w=2πf的时候,RF=反馈电阻,K=1.38*10-23焦耳每开尔文温度,T=298开尔文温度.

Ct=Cpd||Cin(-)=在输入脚Input(-)端总的电容,且Ct=Cpd+Cin(-)

=反馈电阻RF的热噪声电压,给一个1hz的带宽

我们可以看到上面的公式,如果Ct增加的话,输出噪声Vout_noise会走高.

设计一个低噪声的跨阻放大器的目标是:

1, 最小的等效输入噪声电压,上面的公式(1)显示出了输出噪声电压是依赖于等效输入噪声电压Vnoise_input

2,最小化来自(-)Input的噪声电流,因为输入端的噪声电流将在反馈电阻形成一个噪声电压.通常,对于(-)input,一个JFET是很理想的,因为它的低门噪声电流.

3，最小化输入端到地的电容,公式(1)指出当电容Ct=Cpd+Cin(-),在输入(-)端增加的话,会在输出产生更多的噪声

4, 使用最尽可能大的RF值.在开始,增加RF的阻抗将增加输出噪声,因为电阻的热噪声.这是正确的,但是来自光电二极管的信号放大增加更多,其结果就是当RF的值增加的时候,信噪比的净增加.比如,双倍RF值的增加,来自RF的电阻噪声增加了=1.4倍,同时增加光电信号输出电压2倍.继而,此例中在SNR层面的话,有+3dB或者的的净增益。

在图8中,典型的输入电容Cin(-)在input(-)的JFET型运放是18pf.为了降低运放的电容,一个低电容和低噪声的JFET就用来作为一个缓冲器或者源极跟随器给input(-),如下图9

图9: 一个低电容JFET添加到了一个运放电路,来降低输入电容和降低噪声

低噪声JFET比如LSK189配置成了一个源极跟随器,带一个偏置电阻R3.关于使用了LSK189的J1的输入电容,从门到漏极是3pf,比前面的Cin(-)的18pf低多了.由于门到源的电容接近于0,门到地的电容.这是因为源极跟随器配置提供了同样的AC电压在门和源极,这就极大地衰减了门和源之间的电容.这个源极跟随器也极大地降低了门到地的电容,甚至是当源是驱动信号到一个电容负载Cin(-)的时候,在运放U1A的输入端(-)input.

应该注意的是此源极跟随器电路会增加相位的移动给整体的放大器电路.为了确保相位余量和无振荡,一个阻抗除法器R1和R2就采用了.用3900欧姆的R1和R2给定值,等效反馈电阻是

.前图8的显示的同样的RF电阻值.假如图9的运放的输入(+)是接地,偏置是0V,Vout就极有可能会有直流偏置,为了在光电二极管无信号输出的时候”归零化”,一个干净的DC电压,Voffset需要施加到U1的(+)input上面

一个运放U1A=AD797的等效输入噪声电压是0.9nV/,而J1=LSK189是1.8nV/,总的等效输入噪声电压是2.0nV/√Hz.这是低于一个非常低噪声的JFET运放比如AD743具备3.2nV/√Hz.注意双极型输入级运放AD797(南频:用于专业音频前置放大器,IR、CCD和声纳成像系统;频谱分析仪;超声前置放大器;地震探测器;Σ-Δ型ADC/DAC缓冲器)的0.9nV/√Hz比2.0nV/√Hz具备更低的等效输入噪声电压,但是AD797的输入噪声电流太大,不适合于有很大的反馈电阻(RF)在Mohm级的电阻如图8所示

假如从门到地的少许电容增加是可以接受的话, 注意J1可以用LSK170来代替.LSK170(0.9nV/√Hz)是LSK189一半的等效输入噪声

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