フォトダイオードからの電流増幅

質問

現在フォトダイオードからの電流を増幅する回路として電流ー電圧変換回路を考えています。（数百kHz程度の信号電流）
ダイオードから出力される電流が数十nAなので、増幅する際ノイズ等の影響が問題となるはずです。そこで
（１）電流ー電圧変換回路は反転増幅器で出力が負となるので、電源電　　圧もそれを考慮して両電源にすべきなのでしょうか？
（２）このような条件にあったOPアンプを探す場合、OPアンプのどうい　　った項目に注意する必要があるのでしょうか？（入力バイアス電流　　等）
（３）グラウンドからの電源等による外部ノイズを軽減するためにはど　　のような対策をとったらよろしいのでしょうか？

回答のほうよろしくお願いします！

回答No.2

imoriimori · ベストアンサー

すみません、＃１様とちょっと違った回答になります。

（１）両電源にすべきだと思います。
理由１：出力が負になるからとかそういう話以前に、ＯＰアンプ入力端子が仮想接地電位（０Ｖ）で動くようにするために。ひとつには、仮想接地電位でないとリーク電流の心配が増えます。また、仮想接地でないとガードリングの技術も使いにくいそうです。
理由２：何よりもやはり、基本に忠実にオーソドックスなＯＰアンプの使い方でやる、というのが何かにつけ無難。フォトダイオード出力がゼロのときＯＰアンプ出力が０以外の中間電位に来る、というのはわかりにくいし、その中間電位の安定度が完璧でなければ著しいドリフトの元だし、ちょっと技術を要すると思うのです。

（２）入力バイアス電流と入力オフセット電流が小さいものがまず優先だと思います。電流計測回路ですから。そのためには入力段がＦＥＴであるタイプに自ずからなると思います。

（３）基本はフォトダイオードとＯＰアンプの間に何もケーブルを入れない、距離最小で一体実装、ということだと思います。そうすれば誘導による外部ノイズは減る。それだけではなくて、ケーブルが揺れると大きな誤差の元になりかねません。例えば内部で摩擦電荷のようなものが発生し微小電流計測値を大きく揺らしてしまう、どうしてもケーブルが必要な場合は特殊なケーブルにせざるを得なかったというのが私の経験です。（たまに雑音が入ってもいいならどうでもいい話しです。程度問題。）
あとはフォトダイオードと初段回路とを一体物にして、シールドボックスに入れるとか、ＯＰアンプはＣＭＲＲの良いものを選ぶとかが常識的に考えられます。

聞かれてもいないのに余計なお世話でしょうが：入力信号の帯域が数１００ｋＨｚとありますが、回路の周波数応答もその程度要るということですか？要らないならどうでも良い話しですが、要るということでしたら難しくなりそうです。
（Ａ）仮に３０ｎＡで３Ｖ出力としたいなら帰還抵抗は100Mオーム。0.1pFの浮遊容量があったら時定数は１０μｓ。遮断周波数は１６ｋＨｚ。というわけで、普通の技術では数１００ｋＨｚの応答周波数帯域は難しい。帯域が欲しければ電流→電圧の変換係数を小さく（言ってみれば利得を下げる）ことが必要になってきます。
（Ｂ）また、そこまでの帯域幅を要求するのであれば、そして低雑音がいるのだ、ということなら、雑音帯域幅が広い以上は、選定するＯＰアンプの入力換算電流雑音、入力換算電圧雑音の双方とも極小のものを選ぶ必要があります。電流測定であるにもかかわらず、電流雑音のみでなく電圧性雑音も気にしなければいけないのはなぜかというと、フォトダイオードのシャント容量が問題になってきそうだからです。周波数帯域を高域まで延ばさない増幅特性で良いのなら、シャント容量および入力換算電圧雑音はさほど問題ではありませんが。
（Ｃ）ＯＰアンプ選定において、応答が十分高周波まで伸び、スルーレートも高く、と要求されることになりそうです。でもそういう高速ＯＰアンプは概して雑音特性が悪いでしょう。
（以上、定性的な話しです。要求する雑音レベルなどにより、どうでも良い話しかも知れません。）

回答No.4

esezou

sperial2さん、こんにちは。
（１）両電源に限る、ＧＮＤ系のノイズ対策のため。
（２）バイアス電流１００ｐＡ未満、帯域１０ＭＨｚ以上、限られますね。
Parametric Search - Operational Amplifiers
http://www.analog.com/dynamic/parametric/scResultsDisplay.asp?SearchType=PSS&ProductLine=OPA
（３）１点ＧＮＤを厳密に実行する。ＰＤからＯＰアンプの実装距離を０とする。応答にＤＣが必要なければ、ＡＣ結合とする。

実装と配置配線が鍵です、プリント基板を起こさないと多分無理。

回答No.3

tadys

（１）両電源のほうが設計が簡単になります。
（２）入力バイアス電流が大きいと帰還抵抗を小さくしなければならず、結果的にゲインが取れなくなります。
ノイズの小さいものを選んだほうがいいでしょう。
直流分を計測するのであれば入力オフセットの小さいものを選びましょう。
（３）ノイズ対策は一言で説明するのは難しいです。
アンプとダイオードの距離は短いほうがいいのですが、
長くなる場合にはツイストペアやシールド線を使うのがいいでしょう。
ただし、シールド線の容量が大きくなると周波数特性が悪くなるので
帰還回路にコンデンサを入れて補償します。
ノイズの乗りそうな所にはコモンモードチョークを入れるのも良いです。

回答No.1

otto0001otto

(1)フォトダイオードの向きを変えれば単電源でも使えます。
しかし、オフセット電圧が大きいので、増幅率を上げにくい。
交流結合は使えない。などの問題があります。

(2)フォトダイオードは定電流源と考えられますので、入力バイアス電流
はキャンセルされると思います。（入力短絡では０にならないので注意）
増幅率が大きいと思われるのでオフセット
トリムできるものがいいでしょう。

(3)センサー接続には同軸ケーブルを使用します。