Jetzt hat sich eine andere Aufgabe vorgeschoben...
Zunächst soll der Ausgangsstrom einer fertigen Fotodiodenschaltung (Thorlabs DET25K-
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der in der Anwendung 50uV an 50Ohm abfallen lässt (es scheint sich also um 1uA zu handeln) in 0,1V umgewandelt werden. Es geht also um einen Übertragungsfaktor von 100kOhm.
Macht man das am besten nur mit einem Transimpedanzverstärker oder wählt man zunächst einen kleineren Übertragungsfaktor und verstärkt dann die Ausgangsspannung noch einmal mit einem nachgeschalteten Spannungsverstärker? Die Ausgangsspannung müsste am Ende des Transimpedanzverstärkers eh noch einmal invertiert werden (da würde sich ein invertierender Verstärker anbieten).
Wenn Du nicht _sehr_ schnell sein musst, mache das ganze einstufig, also mit einem hochohmigen Transimpedanzverstaerker. Sonst verstaerkts Du mit der zweiten Stufe nur das Rauschen.
die Vorgehensweise hängt auch von der benötigten Bandbreite/Flankenstelheit ab. Wegen des Rauschens empfiehlt es sich bei hohen Verstärkungen grundsätzlich immer diese Anforderung genau zu kennen und die Bandbreite passend zu filtern. Von der Bandbreite hängt auch die Auswahl eines geeigneten Verstärkers ab. Auch der Lastwiderstand von 50Ohm hat damit zu tun.
Naja, fertig wär sie mit nem Verstärker. Da Thorlabs für diese Diode mit Batterie aber nur 200 Ökken will und nicht wie bei anderen Detektoren ne Null mehr, wollen wirs mal durchgehen lassen. :-)
Und 140ns fall time. Also ein paar MHz.
Möglichkeit 1, keine hohe Bandbreite gefordert, genug Signal vorhanden (hast Du): Hochohmiger TIA mit Opamp aufgebaut. Leider geht da die Bandbreite noch weiter runter, Hobbs schreibt in
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f_3dB = wurzel(f_RC * f_T)/2. f_RC ist 1/2*pi*R*C mit R=100kOhm und C=40pF (aus Deinem Datenblatt) und f_T ist das GBP des verwendeten Opamp. Macht bei Dir f_RC=40kHz, selbst mit 100MHz GBP holst Du da gerade mal 1 MHz raus. Wenn das reicht, tu das und nimm einen Opamp mit FETten Eingängen, da hochohmige Quelle und Rückkopplung.
Möglichkeit 2, mehr Bandbreite gefordert: Wie oben, nur nicht so hochohmig + noch ein Opamp dahinter.
Möglichkeit 3, Bandbreite im GHz-Bereich (mit den richtigen Dioden), genug Signal vorhanden: HF-Verstärker-MMIC. Gibt ne nette Auswahl bei Minicircuits und Reichelt hat noch Reste der guten alten MSA. 50 Ohm rein und raus und Beschaltung wie Transistor in Emitterschaltung. Mieseste Anpassung an die Diode, da hochohmige Quelle am niederohmigen Verstärker. Bei genug Signal egal.
Möglichkeit 4, Bandbreite einige hundert MHz und wenig Signal: Man nehme einen fertigen TIA, der genau dafür gebaut ist und pflanze ggf. noch einen HF-Verstärker dahinter. AD hat solche TIAs, der empfindlichste schnelle den ich neulich mal gefunden hatte war allerdings der MAX3658 mit 580MHz und 2,1pA/wurzel(Hz). Du hast aber weder ne schnelle Diode noch wenig Licht.
Möglichkeit 5: Frage den Händler Deines Vertrauens (Municom, AMS,...) nach Dioden mit eingebautem TIA. Schau aber ins Datenblatt, ob die eingebauten TIA auch wirklich taugen...
Ich habe das Ganze einmal mit einem OPA602 simuliert und komme da auf eine Bandbreite von ca. 177kHz. Dabei wird ein RMS- Rauschen von ca
1,4mV simuliert. Da im Moment direkt an einem Lastwiderstand von 100kOhm gemessen wird und sich noch keiner negativ bemerkbar gemacht hat, reicht die Bandbreite vielleicht sogar aus. Die Sperrspannung ändert sich in diesem Aufbau bei Bestrahlung um ca.
2%- kann man daraus grob schließen, dass dann auch die Genauigkeit der Intensitätsbestimmung auf 2% beschränkt ist? Wenn die Genauigkeit reichen würde, dann wäre es doch vielleicht besser auf den Verstärker komplett zu verzichten um so das Rauschen zu minimieren oder?
"Heiko Lechner" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@mid.dfncis.de...
Wieso misst du die Sperrspannung? Die Photodiode arbeitet wie eine Stromquelle. Der ist die Sperrspannung völlg egal in deiner Anwendung. Der Photstrom erzeugt an deinem Lastwiderstand oder dem Widerstand deines Transimpedanz-Verstärkers einen Spannungsabfall.
Vsignal=Idiode*R
Der Photodiodenstrom ist über viele Dekaden proportional der einfallenden Lichtleistung.
"Heiko Lechner" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@mid.dfncis.de...
Ja, solange der Spanungsabfall am inneren Bahnwiderstand der Diode die Sperrspannung nicht übersteigt. Wenn das bei 5V und 50Ohm Last passiert, dann ist die Diode wahrscheinlich schon den Hitzetod gestorben.
Bei kleinen Leistungen und geringeren Bandbreiteanforderungen kannst du im Kurzschlußbetrieb auch mit Vorspannung 0V arbeiten. Das erspart dir den Leckstrom.
Kurzschlussbetrieb hast du mit 50Ohm bei kleinen Leistungen und beim Transimpedanzverstärker sogar in Reinkultur.
Achtung: Die Batterie herausnehmen ist nicht 0V mit Kurzschluss. Da müsstest du dann schon das Teil aufschrauben und am Ausgang des
5V-Reglers eine Kurzschlussbrücke einlöten.
Gruß Helmut
PS: Was kosten eigentlich diese 12V Batterien die das Teil braucht. Bestimmt teuer, oder?
Fast. Der Dunkelstrom steigt mit der Sperrspannung. Außerdem verringert die Sperrspannung (in Grenzen) die Kapazität der Diode, so daß mit steigender Spannung die Bandbreite steigt. Solange die Bandbreite deines Detektors aber groß genug ist, sollte der Photostrom über mehrere Intensitätsgrößenordnungen linear sein und bis auf den Dunkelstromsockel nicht von der Vorspannung abhängen.
Zum Messen sehr kleiner Intensitäten keine Vorspannung oder besser: die Lichtintensität modulieren.
Ein Spezialfall sind sicher die Avalanche-Dioden, bei welcher die Sperrspannung _ganz vorsichtig_ an die Grenze gefahren wird, bis ein Multiplikationseffekt (bis etwa 100x) eintritt. Damit sind sehr empfindliche und sehr schnelle Photodetektoren möglich. Neueste Modelle kommen, falls man sich mit eher kleiner Multiplikation begnügt, mit 15V aus.
Oder man nimmt empfindlichere Detektoren. Sehr interessant finde ich die EMCCD-Kameras, welche einzelne Photonen sehen, ohne Bildverstärker.
Das geht nur in engsten Grenzen. Wenn Du Dir die Quanteneffizienzen üblicher Billig-Dioden anschaust, wirst Du feststellen, daß die nur selten unter 50% liegen (ok, mal angenommen, man wähle die Diode nicht völlig verkehrt). Selbst die einfache BPW34 hat schon 0.9 Elektronen/Photon und die gute Hamamatsu S3883 kommt da nur wenig drüber. Jedes weitere Prozent geht richtig ins Geld (AR-Beschichtung) oder wird aufwendig und anfällig gegenüber Polarisations- und Interferenzeffekten (Detektion des reflektierten Lichtes).
Wichtig ist also vor allen Dingen die Bandbreite und der Dunkelstrom im Verhältnis zur erwarteten Photonenzahl.
Noch besser ist natürlich, man kann kohärent detektieren (Homodyne/Heterodyne). Damit kann man nebenbei noch um mehrere Größenordnungen besser frequenzfiltern als mit den besten optischen Filtern.
Hmm, interessant. Wenn ich allerdings den Wikipedia-Artikel richtig verstanden habe, ist da nicht der CCD-Chip empfindlicher sondern ein Avalanche-Verstärker vor dem Ausgangsport.
Sind diese Verstärker um so viel rauschärmer als konventionelle Verstärker?
Die Detektorzelle selber ist ja nicht empfindlicher. Wie du schrubst, mehr als ein Elektron kriegt keine raus. Aber normaler- weise kann man dieses Elektron nicht einzeln detektieren. Die Ausleseverstärker der CCD Kameras sind schon sehr gut, limitierend ist oft das Störsignal der Taktleitungen, Bandbreitenbegrenzung usw. Aber auch slow-scan Cameras kommen selten unter 6 e RMS (müsste aber nachschauen), gekühlt natürlich. Da kommt eine Verstärkung von 20 schon gelegen. Auch hörere Verstärkungen nützen etwas, da die Art des Rauschens anders ist. Es wird ja unilateral verstärkt, es entstehen eher Signal- schwankungen. Falls nur wenig Licht detektiert wird, kann man dann im photon counting mode arbeiten. Sicher hat man diese Multiplikations-Schwankungen, aber mit einem Sensor von 95% Quantenausbeute startend hat man dann doch besseres S/N als im Fall einer ICCD, wo man mit einer Photokathode von vielleicht 15% QE starten muss. ICCD hat vorallem den Vorteil der möglichen UV-Empfindlichkeit und der Verwendung als schneller Shutter. Aber im Roten ist die Empfindlichkeit meistens katastrophal, insbesondere wenn man keine extrem teuren GaAs-Sachen verwenden kann. Von CID(?) hört man nichts mehr, das war eine Entwicklung von einer CCD-ähnlichen Kamera, bei der man aber zerstörungsfrei das Bild auslesen konnte.
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