設計目標

設計の説明

この回路は、フォトダイオードからの光に応じた電流を増幅するためのトランスインピーダンス アンプとして構成されたオペアンプです。

デザイン ノート

1. バイアス電圧 (V_ref) は、入力電流が 0A のとき、負の電源レールで出力が飽和することを防止します。
2. DC誤差を減らすため、バイアス電流の小さいJFETまたはCMOS入力のオペアンプを使用してください。
3. リニア出力スイングに基づいて出力範囲を設定します (A_ol の仕様を参照)。

設計手順

1. ゲイン抵抗を選択します。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{4.9\mathrm{V}-0.1\mathrm{V}}{2.4\mathrm{\mu A}}=2\mathrm{M\Omega }$
2. 回路の帯域幅を満たすよう、帰還コンデンサを選択します。
   ${\mathrm{C}}_1\le \frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_1\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}}$
   ${\mathrm{C}}_1\le \frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 2\mathrm{M\Omega }\times 20\mathrm{kHz}}\le 3.97\mathrm{pF}\approx 3.3\mathrm{pF}\text{ (Standard Value)}$
3. 回路が安定するために必要な、オペアンプのゲイン帯域幅(GBW)を計算します。
   $\mathrm{GBW}>\frac{{\mathrm{C}}_{\mathrm{i}}+{\mathrm{C}}_1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_1\times {{\mathrm{C}}_1}^2}>\frac{13\mathrm{pF}+3.3\mathrm{pF}}{2\times \mathrm{\pi }\times 2\mathrm{M\Omega }\times {(3.3\mathrm{pF})}^2}>119\mathrm{kHz}$
   $\begin{array}{l}\text{where }{\mathrm{C}}_{\mathrm{i}}={\mathrm{C}}_{\mathrm{j}}+{\mathrm{C}}_{\mathrm{d}}+{\mathrm{C}}_{\mathrm{cm}}=11\mathrm{pF}+2\mathrm{pF}+1\mathrm{pF}=13\mathrm{pF}\text{ given }\end{array}$
   • C_j：フォトダイオードの接合部容量
   • C_d：アンプの差動入力容量
   • C_cm：反転入力の同相入力容量
4. 0.1V のバイアス電圧について、バイアス回路の値を計算します。
   ${\mathrm{R}}_2=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}\times {\mathrm{R}}_3$
   ${\mathrm{R}}_2=\frac{5\mathrm{V}-0.1\mathrm{V}}{0.1\mathrm{V}}\times {\mathrm{R}}_3$
   ${\mathrm{R}}_2=49\times {\mathrm{R}}_3$
   $$\begin{gathered} \text{Closest 1\% resistor values that yield this relationship are} \\ {\mathrm{R}}_2=13.7\mathrm{k\Omega }\text{ and }\mathrm{}\mathrm{}{\mathrm{R}}_3=280\mathrm{\Omega } \end{gathered}$$
5. V_ref 電圧にフィルタを適用するため、C₂ に 1µF を選択します。結果として、カットオフ周波数は次の式で与えられます。

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

AC シミュレーション結果

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツの総合的な回路ライブラリについては、「アナログ エンジニア向け回路クックブック」を参照してください。

回路 SPICE シミュレーション ファイルを参照してください。

• TINA-TI の場合：SBOMCH8
• PSpice for TI の場合：SBOMCH0

TIPD176 を参照。

設計に使用されているオペアンプ

設計の代替オペアンプ