Amplificador de transimpedância de baixo ruído (TIA) - por que a adição de um capacitor de realimentação causa pico de ruído de tensão?

Estou trabalhando em um amplificador de transimpedância de baixo ruído (TIA) para a detecção de sinais ópticos fracos. O objetivo é alcançar uma largura de banda de 10MHz com um piso de ruído de tensão branca de 10-20nV / rtHz. Estou usando o fotodiodo FGA21 e o OPA847 Op-Amp com um resistor de feedback de 10kohm operando no modo fotocondutor.

As principais especificações incluem:

• Produto de ganho de largura de banda: GBW = 3.9GHz
• Ruído da tensão de entrada: e_n = 0.85nV / rtHz
• Ruído de corrente de entrada: i_n = 2.5pA / rtHz
• capacitância do fotodiodo: C_d = 100pF @ polarização de 3V

O design da placa de circuito impresso seguiu muitas das técnicas de layout sugeridas (minimizando o comprimento da trilha, passando componentes de feedback sob o amplificador operacional, isolando trilhas sensíveis do plano de terra etc.) Além disso, a fonte de tensão foi fortemente filtrada usando capacitores de desacoplamento e o OPA820 Op-Amp foi usado para amortecer a saída.

Dois espectros de ruído foram obtidos, um em que a capacitância de feedback foi deixada em aberto e outro em que foi definido em 1,5pF:

As linhas tracejadas representam as curvas de ruído teóricas correspondentes. Claramente, o capacitor faz com que o pico de ruído se amplie e mude de frequência, isso contradiz a teoria que sugere que um capacitor de feedback amortece o ganho da transimpedância e reduz o ruído de alta frequência.

Para testar isso, um circuito foi construído sem o fotodiodo, em vez disso, um capacitor de 100pF foi adicionado para imitar a capacitância da junção do diodo e as medições de ruído foram retomadas:

Nesse circuito, a adição de um capacitor de realimentação faz com que o ruído diminua de maneira semelhante à prevista pela teoria, sugerindo que o modelo simples de fotodiodo de uma capacitância de junção e fonte de corrente pode não ser completamente preciso. No entanto, pesquisando na literatura, ainda não encontrei discussões sobre as limitações desse modelo, nem vi exemplos desse comportamento.

Então, eu estou me perguntando se alguém já se deparou com essa questão antes ou pode entender como a adição de um único capacitor causa uma grande disparidade entre teoria e experimento?

(Por favor, desculpe a falta de diagramas de circuitos, sou um novo usuário e, até o momento, só posso anexar dois links por pergunta)

Edit: Aqui está o layout da placa de circuito impresso para o TIA com fotodiodo:

e aqui está o esquema do circuito (vale a pena notar que o filtro passa-baixo entre os amplificadores operacionais não foi usado, o capacitor foi deixado aberto):

Edit 2: Observe nos diagramas de circuito acima que o fotodiodo não é polarizado reversamente, em todos os espectros de ruído mostrados, ele é soldado na polarização correta

Não tenho certeza especificamente sobre o ruído no seu circuito, mas aqui está um guia de ajuda bastante extenso para a disposição dos circuitos TIA:

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

Não sei dizer se você anulou o solo e o plano de energia no traço de entrada do fotodiodo. No entanto, você pode tentar o seguinte. Coloque a tampa de entrada e o resistor na extremidade (lápide). Solde um fio muito fino (talvez 40AWG) de uma extremidade transportada pelo ar para o pino de saída do fotodiodo. Isso minimizará a capacitância de entrada e, assim, fornecerá a melhor resposta de alta frequência.

Outra coisa menos drástica a tentar é aparar as almofadas de Rf e Cf o menor possível e depois soldá-las na placa de lado. A capacitância parasitária de entrada é seu inimigo em altas frequências, e essas duas idéias visam minimizá-la. Embora seja caro na produção em massa, pode fornecer algumas idéias para melhorar o desempenho.

Algumas outras idéias - use 0402 em vez de 0805 ou 0603. Isso diminuirá também a capacitância de entrada.

Outra idéia que também estava na literatura do LT era executar um traço de aterramento entre os blocos do seu resistor de entrada. Isso eleva a força do campo para 0. Honestamente, não sei bem como isso ajuda, mas eles envolvem algumas palavras ao redor no link que forneci acima.

Boa sorte! Você deve publicar algumas capturas de tela da sua resposta de frequência e nos informar o que você fez - o que funcionou e o que não funcionou.

O seu capacitor de feedback deve ser superior a 10pF, pois a capacitância do fotodiodo é maior.

O capacitor, por si só, terá uma impedância muito menor que o fotodiodo e, portanto, acho que seria de esperar que o circuito fosse menos estável. Parece até que está ressoando um pouco no pico de 10 MHz, então você pode precisar de um capacitor de feedback maior. Se 1.5pF estiver em torno do valor correto, o uso de um capacitor trimmer real pode ser conveniente para o ajuste, se não aumentar os comprimentos do caminho e demais.

Eu próprio não estou familiarizado com a teoria, portanto só posso oferecer conselhos básicos.

Na minha experiência, parece que você está experimentando o modo flyback do capacitor. O que está causando sua voltagem para criar picos sugadores como os seus. Para corrigir esse problema, eu recomendaria usar um capacitor maior ou adicionar resistência adicional ao sistema antes do capacitor.