[参考译文] OPA858：光电二极管脉冲电流

尊敬的 Antonio：

我很乐意为您的新设计提供支持。 我对您的应用和需求有一些困惑、我希望您对以下几点做出说明：

1.在描述脉冲序列输入时,您是指如下所示的波形吗? 对于15ns 的脉冲持续时间、脉冲信号的频率或振幅是否发生变化？ 脉冲信号具有正弦波形还是另一个波形？ 我假设监听周期会随 PRF 而变化、并且脉冲持续时间设置为15ns (即、如果 PRF 为5Hz、则在1秒时间间隔内会有5个15ns 的脉冲)。

2.您是否挑选出特定的微控制器/ADC？

3.在跨阻放大器应用中,放大器的输出电压波形将与输入电流波形相匹配(通过反馈电阻从电流到电压的明显转变)。 积分器电路通常获取电压输入波形并执行积分(即输入方波具有输出三角波或输入正弦波具有输出余弦波)。 这两个电路都不会对输入信号取平均值。 在此基础上、您能分享您的应用吗？ 您的目标是将输入电流信号转换为输出电压信号、然后由微控制器处理该信号的所有处理吗？

谢谢。

尼克

您好、Nick。

1.脉冲是一个简单的15ns 矩形脉冲 无正弦载波 ，PRF 为5Hz--50kHz，因此5Hz 表示5个脉冲，单位为1s ------- 50KHz 50.000脉冲、单位为1。 激光二极管的脉冲 Ipeak 为40mA (-->脉冲峰值光功率30mW)，光电二极管的脉冲 Ipd 为12uA (对应于40mA)。 没有调制。 它是开/关信号、Ion = Ipeak = 40mA (12uA)/ Ioff =低电流、略低于激光二极管的阈值电流、可加快开通速度。

2. STM32系列微控制器,如果性能需要,ADC 也可以是外部的。

3、我们需要用集成的光电二极管测量激光二极管发射的平均光功率或者峰值光功率。 由于这些脉冲非常窄、我认为最佳解决方案是通过累积 n 个电流脉冲来提供信息(使用作为第一级 TIA 来转换电压脉冲中的电流脉冲)。 我们需要光电二极管提供此类信息、以便在用长脉冲触发脉冲序列之前进行校准、从而确保光学输出功率符合我们的预期、 但我们还希望使用此信息在功率超过 特定最大允许值的情况下进行安全关闭。 因此、掌握所输出光功率的相关信息对于初始校准(在本例中可能是1个长脉冲)、实时读数和安全而言至关重要。

我认为脉冲激光二极管 从光电二极管获取脉冲信号以进行测量的典型应用。 如果有一个现有的解决方案可以随时适应我们的目的，那就很好了。

如果一切都很清楚、请告诉我。  我愿意做进一步的说明。

感谢您的支持。

尊敬的 Antonio：

感谢您的澄清。 为了设计 TIA 级、需要考虑以下几点：

1.您希望实现多大的增益(基于 ADC 输入范围)？ 例如、对于12uA 的光电二极管电流脉冲、100k Ω 的增益将产生1.2V 的输出电压摆幅、

2.您的上升/下降时间和稳定时间要求是什么？

3. TIA 级和 ADC 之间会有滤波级吗？ 您能分享一下 ADC 的电容负载是多少吗？

谢谢。

尼克

您好、Nick。

1.1.2V 可能是好的、只是个错误、我说光电二极管为12uA、而不是72uA。 因此、必须更改电阻器。

2.关于脉冲的上升/下降时间和稳定时间要求？

3.您认为可以使用 ADC 直接测量15ns 脉冲序列吗？ 如有必要、我们可以拥有滤波级。 无论如何、ADC 可以是外部的、因此您可以提供一个。

尊敬的 Antonio：

1.谢谢您更正了这个问题。 我现在考虑一个20k Ω 的可能增益、这个增益将生成一个1.44V 的输出电压摆幅。 如果选择了满量程、则可以再次对其进行调整、以匹配微控制器 ADC 或外部 ADC 的满量程。

2.电流到电压转换产生的输出电压脉冲将按照您的预期呈现脉冲波形。 但是、由于放大器的带宽有限、它将无法瞬间更改输出电压、因此存在固有的上升和下降时间。 计算公式为：上升时间= 0.35/闭环带宽。 闭环带宽根据总输入电容、反馈电阻器、反馈电容和运算放大器 GBWP 变化。 下面是使用 OPA855的示例。 此处上升/下降时间约为3ns：

但是、在这种情况下、假设光电二极管电容为5pF、反馈电容器的规格非常严格。 如果不必具有这么短的上升/下降时间、可以放宽一些规格。  

3. 我可以了解哪些 ADC 可能适合这种应用、所以我会就此给您回复。 您能否也分享微控制器内部 ADC 的规格？

谢谢。

尼克

您好、Nick。

在激光二极管数据表中、没有关于光电二极管电容的信息。

在本次原型设计课程中、微控制器将是 Nucleo 板 STM32F439ZIT6。

此致

没有二极管电容、TIA 设计就无法做到、越低越好。 您需要从制造商那里申请。  

此外、大多数高速光电探测器会进行反向偏置以减少源极 C、因此您确实需要 C 与反向偏置之间的关系图才能继续。  

您好、Nick。

另一个信息... 光电二极管阴极被连接至正电源。 因此我认为我们在 TIA 后还需要一个逆变器。

Michael、您好！

感谢您的支持。

我们将尽快向制造商索取特定信息。

此致。

尊敬的 Antonio：  

正如 Michael 提到的、在不知道光电二极管电容的情况下、无法调节 TIA 设计、这也取决于您偏置光电二极管的方式。 当您能够从制造商处找到此信息时、请告诉我、我可以帮助您调整设计。

您是否已确定您的应用是否具有可接受的上升/下降时间要求？

感谢您提供有关微控制器的信息。 我将查看 ADC 的规格。

谢谢。

尼克

如果您有电流进入 TIA V-节点、您可以将 V+运算放大器输入偏置到所需的输出、然后让它从那里下降。 最终的峰值和平均电路工作起来会更容易、峰值电压上升到0到一些、因此逆变器是有用的、但不是必需的。  

您好、Nick。

好的 、我会尽快为您提供光电二极管的相关信息。

通过激光二极管的电流脉冲的持续时间约为15ns、峰值为40mA (30mW)、根据制造商数据表中的报告、光电二极管中相应的峰值电流应约为72uA。 我现在不知道光电二极管的电流波形输出将如何变形、但我仍然认为它是一个非常窄的脉冲、具有几 ns 的 trise/tfall 量。 请记住、一方面、目标是通过具有必要振幅(40mA)的长电流脉冲进行离线校准、以释放所需功率(30mW)、并重新读取光电二极管电流的振幅以了解实际输出的光功率、 另一方面、在发送脉冲序列期间、PRF 可在5Hz 到50kHz 之间进行编程、能够从光电二极管收集有效信息、这些信息可以连接到脉冲序列的平均或峰值功率、以用于测量 功率、并出于安全原因对其进行比较、并设置某个阈值、以便在超过允许的功率限制时禁用发射。

谢谢

Michael、您好！

你是对的。 如果我们使用 Vbias (例如、Nick 建议的1.8V)、则不需要逆变器级。

在最后,我们必须了解什么是最佳的解决方案捕获这一系列的脉冲从光电二极管,并提出一种电压值代表的功率,激光二极管发射,然后用 ADC 测量它... 或使用 ADC 测量每个单一脉冲、但我不知道这是否可行。

谢谢

尊敬的 Antonio：

感谢您的澄清。 如前所述、当您从光电二极管制造商处获得答案时、我将帮助调节元件值。

谢谢。

尼克

您好、Nick。

我们要求提供此信息、但很遗憾、制造商没有此信息。 因此、我们可以做的是假设有一定的结电容和分流电阻继续进行设计。 然后、当我们有了激光二极管时、我们将尝试做一些测试来表征器件。
现在、我们假设 Rshunt 1G 和 Cj 5p、然后我们将对设计进行调整、这也是因为它是原型。

请告诉我。

谢谢。

尊敬的 Antonio：

基于这些信息、您可以使用我之前使用 OPA855创建的设计。 如我在仿真中所示、如果光电二极管电容为5pF、您将能够实现大约3-5ns 的上升/下降时间。 听起来就像在您使用的光电二极管中、光电二极管会向放大器提供电流、因此输出电压会与我在图中展示的电压反相。 因此、您可能需要调整 V+上的基准电压、以便下输出摆幅限制不会导致削波。

如果您发现光电二极管电容与该值不同、则可以使用我在上面链接的 TIA 计算器、以便为反馈电阻值和闭环带宽确定新的反馈电容器值。

谢谢。

尼克

您好、Nick。

好的、谢谢提供的信息。 是的、 光电二极管会向放大器提供电流、因此输出为负值、但最终我们可以使用逆变器。

您能为该 ns 脉冲的积分提供一种好的解决方案吗？

此致。

您好、Nick。

我看了一下提议的解决方案。 我们需要得到的是光功率的测量值、因此我们需要以某种方式测量积分器产生的结果。 我们有一个可与外部 ADC 连接的 uC、我看到积分器输出的输入非常窄、可能很难获取。 也许我们可以找出这些脉冲的峰值、以便获得易于测量的连续信号。 此外、我们还需要测量 OPA855输出脉冲的峰值、3V 基座的存在会使这一问题变得更加复杂。 也许更适合使用双电源、以便具有 OPA855的负脉冲、后面是逆变器、并将其发送到精密峰值检测器。 请务必记住、积分器和峰值检测器必须在5Hz-50kHz 的 PRF 范围内良好运行。  我还介绍了对示波器可能有用的 OPA615和 OPA860。

希望您能帮助我们。

尊敬的 Antonio：

是的、您当然可以添加一个逆变器级、它将到达 uC 的峰值检测器以读取 TIA 级的电流转换为电压。 正如您所建议的、OPA615为峰值检测器提供非常有用的配置。 这在 E2E 主题中进行了进一步讨论： https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/167314/super-high-speed-peak-detector-needed 

此外、我对 ADC 的最佳选择尚不了解。 我建议为 ADC 团队打开一个 E2E 主题、他将能够进一步帮助您为应用选择合适的 ADC。

谢谢。

尼克

尊敬的 Antonio：

我将在您的仿真原理图中研究电路的行为。 我期待在下周初有更多答案。

谢谢。

尼克

您好、Nick。

你对我有新消息吗？

尊敬的 Antonio：

我很抱歉没能早点回来。 我当时正在调查您发送给我的电路、因为您所做的更改看起来会使电路不稳定。 不过、我一直在尝试使用单电源进行仿真、就像我最初推荐的那样、我相信峰值检测电路可以正常工作、尽管保持的峰值会在一段时间后衰减。 我一直在研究如何调整这一点,但我可以分享到我到目前为止拥有的东西。

e2e.ti.com/.../OPA855_5F00_TIA_5F00_OPA856_5F00_Integrator_5F00_and_5F00_Peak_5F00_Detection_5F00_E2E.TSC

谢谢。

尼克