I fotodiodi convertono l’energia luminosa in una corrente o tensione che può quindi essere utilizzata in circuiti elettronici in applicazioni che vanno dalle celle solari alle reti di trasmissione dati ottiche, dagli strumenti di precisione alla generazione di immagini mediche. Quello che tutte queste applicazioni hanno in comune è la necessità di impiegare circuiti che inseriscano un buffer all’uscita del fotodiodo e la amplifichino. Per applicazioni che richiedono alta velocità e ampia gamma dinamica, spesso si utilizzano circuiti dotati di un amplificatore in transimpedenza. In molte applicazioni, questa configurazione viene realizzata mediante un condensatore inserito deliberatamente per assicurare stabilità. In questo circuito, il fotodiodo è in “modalità di fotoconduzione”, con una tensione di polarizzazione applicata al catodo. La connessione virtuale fra i due ingressi dell’amplificatore operazionale mantiene l’anodo a massa, applicando quindi una tensione di polarizzazione inversa costante ai capi del fotodiodo. Il circuito equivalente di un fotodiodo può essere visto come composto da un generatore di corrente (proporzionale all’intensità del segnale ottico), un condensatore, un resistore di grande resistenza e un generatore di corrente di buio (la piccola corrente presente quando non vi sono fotoni), tutti collegati in parallelo. Quanto maggiore è la tensione di polarizzazione ai capi del diodo, tanto minore è la sua capacità. Mentre ciò è vantaggioso per la velocità, praticamente è limitato dalla tolleranza di un fotodiodo a elevate tensioni inverse. La corrente generata dal fotodiodo (IPD) viene amplificata dal circuito di transimpedenza e convertita in una tensione di uscita tramite il resistore del guadagno di transimpedenza (indicato qui anche come resistore di retroazione o RF). Nel caso ideale, questa corrente scorre attraverso RF (ossia, IFB = IPD), ma in pratica l’amplificatore introduce una corrente di errore che si presenta come una corrente di polarizzazione d’ingresso dell’amplificatore stesso. Questa corrente di errore crea una tensione di errore all’uscita e limita la gamma dinamica. Quanto maggiore è il resistore di guadagno, tanto maggiore è questo effetto. È importante selezionare un amplificatore con corrente di polarizzazione (nonché con tensione di offset d’ingresso e deriva di tale tensione) sufficientemente basse da ottenere la gamma dinamica e la precisione complessiva necessarie.
Una opzione differente
Un’altra considerazione è l’effetto della variazione della corrente d’ingresso dell’amplificatore operazionale in funzione della temperatura. Gli amplificatori operazionali con stadi d’ingresso bipolari hanno una corrente d’ingresso abbastanza costante, ma questa corrente è così alta anche a temperatura ambiente (nA o anche µA) che gli amplificatori bipolari senza buffer non sono adatti per molte applicazioni di guadagno con alta transimpedenza. Per questo motivo, gli amplificatori operazionali con uno stadio d’ingresso a Fet spesso vengono preferiti agli amplificatori bipolari poiché hanno una corrente d’ingresso intrinsecamente inferiore, spesso dell’ordine dei picoampere - ma non oltre dieci – o anche minore a temperatura ambiente. Ma i diodi di protezione dalla scarica elettrostatica (diodi Esd) presentano perdite all’aumentare della loro temperatura, facendo sì che la corrente d’ingresso aumenti esponenzialmente con la temperatura. Non è inusuale per un amplificatore operazionale con corrente di polarizzazione dell’ordine dei picoampere a temperatura ambiente avere una corrente d’ingresso dell’ordine dei nanoampere a 125°C. Una soluzione alternativa consiste nell’usare un Fet discreto per inserire un buffer per il fotodiodo all’ingresso dell’amplificatore, ma ciò richiede un componente aggiuntivo e il corrispondente spazio sulla scheda, e comporta una capacità d’ingresso relativamente alta. Un’altra opzione è quella di usare il nuovo amplificatore operazionale con corrente di polarizzazione dell’ordine dei femtoampere LTC6268 di Linear Technology la cui corrente di polarizzazione d’ingresso è pari ad appena 3fA a 25°C. Questo amplificatore utilizza repliche delle tensioni d’ingresso applicate a diodi Esd per creare un effetto bootstrap e mantenere la tensione e la corrente applicate ai diodi estremamente basse durante il normale funzionamento. Sebbene anche in questo caso aumenti in funzione della temperatura, la corrente è di ordini di grandezza inferiore rispetto a quella di altri amplificatori. La corrente d’ingresso massima garantita è pari a 0,9pA a 85°C e 4pA a 125°C. La piedinatura dell’LTC6268 è stata scelta con attenzione per ridurre al minimo le correnti di dispersione sulla scheda, che possono contribuire all’errore di misura.
A livello dei femtoampere, fonti impreviste di perdite possono derivare da segnali adiacenti sulla scheda di circuiti, sia sullo stesso strato che da strati interni, da qualsiasi forma di contaminazione sulla scheda causata dal processo di assemblaggio o dall’ambiente, da altri componenti presenti sul percorso del segnale, e anche dalla plastica del contenitore del dispositivo. L’LTC6268 è disponibile in contenitori Sot-23 e Soic. Sebbene la versione Sot-23 abbia un ingombro più piccolo offrendo un vantaggio per quanto riguarda lo spazio sulla scheda, il Soic rappresenta la scelta migliore per applicazioni a bassa corrente di polarizzazione d’ingresso. Per questo contenitore, il passo dei pin è maggiore e V- viene spostato all’altro lato del contenitore, lontano dagli ingressi. Inoltre, i pin 1 e 4, prossimi agli ingressi, vengono lasciati scollegati per facilitare la posa dell’anello di protezione. Ciò è particolarmente importante per applicazioni che vengono a trovarsi in ambienti elettricamente rumorosi. Per maggiori informazioni sull’uso di metodi come gli anelli di protezione contro le correnti di dispersione, vedere alle pagine 17 e 18 della scheda dati dell’LTC6268. Poiché la gamma dinamica è data dal rapporto tra il massimo segnale di uscita e il rumore, è importante anche selezionare un amplificatore operazionale con rumore sufficientemente basso. Sia il rumore di corrente che quello di tensione dell’amplificatore operazionale sono rilevanti, dipendendo in varia misura dal valore di RF e CIN. La capacità d’ingresso, CIN, è una combinazione della capacità del fotodiodo, della capacità d’ingresso dell’amplificatore e delle capacità parassite della scheda. Nei circuiti con amplificatore in transimpedenza, il rumore di corrente viene moltiplicato per RF, presentandosi quindi all’uscita come rumore di tensione. Inoltre, il rumore di tensione dell’amplificatore viene moltiplicato per il guadagno di rumore. Quindi, per valori di RF maggiori, il rumore di corrente (in) diventa più dominante, mentre per circuiti con CIN elevata, domina il rumore di tensione (en). Individuare un amplificatore operazionale con basso rumore sia di corrente che di tensione non è semplice. La tensione e il rumore di corrente riferiti all’ingresso dell’LTC6268 sono pari, rispettivamente, a 4,3nV/√Hz a 1MHz e 5,5fA/√Hz a 100kHz, offrendo quindi un buon compromesso tra i due valori. La capacità d’ingresso ha pure limiti di larghezza di banda. Un possibile modo di vedere questo aspetto è quello di considerare l’impedenza del condensatore d’ingresso come quella del resistore di guadagno (RG) in una convenzionale configurazione ad amplificatore operazionale invertente. Quanto maggiore è la capacità, tanto minore è l’impedenza e tanto maggiore è il guadagno effettivamente “visto” dall’amplificatore operazionale (1+RF/RG), spesso detto guadagno di rumore. Poiché la larghezza di banda di un amplificatore è inversamente proporzionale al guadagno in conseguenza del fatto che il loro prodotto è costante, un’elevata capacità d’ingresso limita la larghezza di banda del circuito. Si può anche pensare a questo in termini di stabilità. La capacità all’ingresso di un amplificatore operazionale può creare un polo nel dominio della frequenza, ovvero un ritardo nel dominio del tempo, che può essere compensato per rendere il circuito stabile aggiungendo un (deliberato anziché parassita) condensatore di retroazione (CF). Quanto maggiore è questa capacità, tanto più limitata è la larghezza di banda del circuito. Quindi è importante scegliere un amplificatore con bassa capacità d’ingresso e preparare con attenzione il layout della scheda per evitare capacità d’ingresso parassite e capacità di retroazione.
Ottimizzato per l’alta velocità
L’LTC6268 è un buon esempio di amplificatore ottimizzato per offrire le prestazioni richieste da circuiti ad alta velocità e ampia gamma dinamica descritti nel presente articolo. Offre larghezza di banda pari a 500 MHz, consentendo di ottenere i circuiti monostadio illustrati nella scheda dati dell’LTC6268 con guadagno di transimpedenza che va da 20 kΩ con larghezza di banda di 65 MHz a 499 kΩ con larghezza di banda di 11,2 MHz. Inoltre, l’LTC6268 presenta ampia larghezza di banda, bassa distorsione ed elevato slew rate, per cui è adatto per applicazioni di digitalizzazione ad alta velocità come quelle mostrate nell’ultima pagina della scheda dati dell’LTC6268. Grazie all’elevatissima impedenza, è ideale come buffer per generatori capacitivi o ad alta impedenza. È disponibile anche una versione a due canali dell’LTC6269. Le versioni con pin di arresto individuali riducono il consumo di corrente quando gli amplificatori non sono in uso e li rende adatti per applicazioni in multiplexing. Sebbene sul mercato siano disponibili centinaia, se non migliaia, di amplificatori operazionali, è molto difficile trovare un amplificatore in transimpedenza adatto per circuiti con fotodiodo ad alta velocità e ampia gamma dinamica. Ciascuno richiede un set unico di caratteristiche prestazionali: corrente di polarizzazione d’ingresso e deriva con la temperatura della corrente d’ingresso bassissima, alta velocità (ossia, prodotto guadagno x larghezza di banda e slew rate elevati), il giusto compromesso tra bassa tensione e rumore di corrente, e bassa capacità d’ingresso. Inoltre occorre prestare particolare attenzione al layout della scheda per ridurre al minimo le correnti di dispersione e le capacità parassite, che limiterebbero la precisione e la velocità del circuito. L’LTC6268 rappresenta una nuova classe di amplificatori operazionali, ottimizzati con precisione proprio per queste applicazioni di amplificatori in transimpedenza dalle prestazioni elevate.
