Vorweg und als Linksammlung für Interessierte: "Photdiode frontends, the real story" hab ich gelesen:
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Der letzte Thread "Instabilität von OP bei Kapazität am Eingang?" von Tilmann war auch interessant. OP Typen die damals gefallen sind: OPA2320, OPA847, THS4021
in sci.electronics.design gab es auch am 15.11.2006 einen netten Thread "Photodiode TIA"
Was ich weiter recht interessant fand: "Voltage Feedback Vs Current Feedback Op Amps Application Report":
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Nun die eigentliche Frage: Ich würde gerne ca. 1nW @840nm mit einer Bandbreite von 50kHz detektieren. Ja, PMT und APD wäre da ein Ansatz, aber es sollte mit einer Si-PIN Diode machbar sein. Welche Diode ich nehme ist noch unklar, sie sollte einen kleinen Dunkelstrom und eine Fläche von
PMT schwierig. 840nm sind da schon sehr weit im roten. Für GaAs- Fotokathode ist das ohnehin viel zu viel Licht, für AgO eigentlich auch, den müsste man ausserhalb der Spezifikationen betreiben. Käme noch Multialkali in Frage, aber auch für die ist das noch viel Licht und man müsste schon länger nach einem geeigneten Modell suchen. Damit wäre man allerdings am Rand des Empfindlich- keitsgebiets und man hätte hohe Temperaturabhängigkeit. Plus mindestens ein Dutzend andere Ärgernisse mit den Dingern.
Da gibt es neue, die mit wenig Volt (15 oder so) recht stabil eine Verstärkung von 10 liefern, bei sehr geringer Kapazität.
Für eine Diode ohne eingebaute Verstärkung ist das wenig Licht, grössenordnungsmässig eben 1 nA. Das heisst, man muss den Gegenkopplungswiderstand schon elend gross machen, damit so was wie Ausgangssignal entsteht, sprich jenseits 1MOhm. Da kann man dann langsam die 50kHz vergessen, leider.
Zur OpAmp Auswahl steht auch was in der BB (jetzt TI) Appnote AB-075.
Andreas muss doch nicht gleich auf 1mV rauf. Erstmal in den uV Bereich und dann normal weiterverstaerken. Es sollte allerdings mehr als 1uV sein, denn bei 50kHz Bandbreite ist man schnell bei einigen hundert nV an Rauschen. Koennte er ja mal im Bereich 10K-100K anfangen. Viel Signal ist das alles jedoch wirklich nicht.
Bei diesen Wellenlängen liefern Photodioden etwas unter 1 A/W, du willst also einen Strom von 1 nA messen.
Da Du die Wellenlänge so genau kennst und Du von single-mode-Fasern sprichst, nehme ich an, das Licht kommt aus einem Laser.
Spielt Geld eine Rolle (anders gefragt: geht es um Forschung oder Produktion)? Wenn a) fährst Du wahrscheinlich mit einem Heterodyne-Detektor am besten: Spalte einen Teil Deines Laserstrahles ab und verschiebe seine Frequenz. Diesen starken Laserstrahl (local oscillator, LO) überlappst Du nun mit deinem zu messenden Signal und detektierst das AC-Interferenzsignal. Je nach gewünschter Präzision nimmt man dafür eintweder einen eher unsymmetrischen Koppler und eine Photodiode (so daß vom schwachen Signal fast nichts verloren geht), oder einen 50:50 Koppler und mißt dann die Differenzintensität an beiden Ausgängen.
Da das Ausgangssignal dann proportional zu sqrt(I_signal * I_LO) ist, und I_LO Werte im mW-Bereich annehmen kann, bekommst Du damit eine sehr hohe Verstärkung ohne elektronisches Zusatzrauschen. Duch detektion eines RF-Signals umgehst Du außerdem Ofsset- und 1/f-Noise-Probleme.
Ich denke nicht, daß es sich für Deine Anwendung lohnt, einen Cascode-Transistor einzusetzen, da die Kapazität deines Detektors nicht das Hauptproblem ist.
Liegt eine Modulation vor oder mußt Du die absolute Helligkeit messen? Da hier der Dunkelstrom relevant wird, würde ich im letzten Fall keine Vorspannung auf die Diode geben, was Deine Bandbreite weiter herunterzieht, da die Diodenkapazität steigt.
Empfindliche Dioden mit sollte einen nehmen mit geringstem Eingangsstromrauschen. Nun gibt es ja
Das hängt von der Beschaltung ab. Die beste Leistung bekommt man i.A. aus einem Verstärker, wenn die Eingangsimpedanz dem Rauschwiderstand (Spannungsrauschen/Stromrauschen) entspricht.
Nun ist Deine Photodiode eine recht ideale Stromquelle, hat also eine hohe Impedanz. In der Praxis hast du jedoch auch noch eine negative Rückkopplung am OP-Amp-Eingang angeschlossen, und diese kann alles verändern.
Baust Du einen TIA, kannst Du das Stromrauschen direkt zu deinem Diodenstrom von 1nA addieren, das Spannungsrauschen geht über den Rückkoppelwiderstand mit ein. Dazu kommt dann noch das Johnson-Rauschen des Rückkoppelwiderstands.
Willst Du ein SNR von 10, muß das Stromrauschen des Op-Amps
Zu solchen "diskreten" Lösungen mit Photodiode kann ich nicht viel sagen, hat Jürgen ja schon getan. Wenn ich mich mit den Dezimalstellen nicht vertan habe, komme ich auf ca 20k Elektronen pro Messung, wenn man mit 100ks abtastet. Das ist für CCD oder CMOS-Sensoren natürlich ein Klacks, da hat man ein Verhältnis von über 1:100 Rauschen zum Signal, und das Ausleserauschen kann man im Vergleich zum Photon-shot-noise fast völlig vergessen (ca 20e zu 140e). Gibt es denn keine ähnlichen Devices, nur eben mit einer Diode oder so wenig Dioden, dass man mit 100ks kontinuierlich auslesen kann?
Das entscheidende ist ja die Umwandlung der Ladungen in Spannungs- werte im Ausgangsverstärker, der eine sehr dünne s-d-Strecke hat um den (dadurch nur kleinen) s-d Strom noch von den geringen Potentialen beeinflussen zu können. Ob es solche diskreten Fets überhaupt gibt weiss ich nicht, evtll ist diskret ja auch etwas mit Stromsteuerung besser.
Mit der Verkabelung und der Eingangskapazitaet CEIN des OPs wirst du auf 5 bis 10 pF Eingangskapazitaet kommen. Um nicht das Eigenrauschen des Verstaerkers zu verstaerken, wird also im ersten Ansatz die Rueckkoppelkapazitaet CF gleich CEIN gewaehlt. Deine 3 db Frequenz soll bei
50 kHz liegen, damit brauchst Du eine Zeitkonstante von 20us/2 Pi =~ 3 us. Damit bringt Dir ein RF von groesser 300 k nicht mehr viel. Am Ausgang hast Du dann 300 uV. Nicht viel, aber ein Ansatz.
Hallo Helmut, danke für deine Antwort Die Forderung nach aktive Fläche Na klar, da kommt nur ein einigermaßen rauscharmer JFET-Opamp oder
Okay, ich wollte einen mit FET Eingang nehmen, daher wundert es mich auch, das Joerg in dem letzten Thread den THS4021 vorgeschlagen hat. Aber wenn ich mir das jetzt nochmal durchlesen, war das ein Vorschlag auf Jürgens Problem mit 5mW optischer Leistung, wogegen Tilmann kleinere Leistungen messen wollte.
Okay :-) Ich schreibe das hier mal, damit interessierte Leser auch ein bißchen mit LTSpice simulieren können:
LTSpice/SwitcherCAD III ist eine kostenlose SPICE Simulation von Linear und kann hier gezogen werden:
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Läuft bei mir unter Debian lenny mit Kernel 2.6.20.1 und wine-0.9.35 (für AMD64 compiliert)
Nach der Installation finden sich fast nur Linear-Bauteile in der Bibliothek, es ist allerdings möglich SPICE Modelle von anderen Herstellern einzufügen.
z.B. OPA340 von TI, dazu das SPICE Modell runterladen:
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und die Datei OPA340.mod nach .wine/drive_c/Program\ Files/LTC/SwCADIII/lib/sub kopieren.
in SwitcherCAD das Symbol "opamp2" plazieren, mit rechter Maustaste ein klick und unter Value "OPA340" eintragen, anschließend noch eine Spice directive ".INCLUDE OPA340.mod" hinzufügen. So, das wars :-)
Auch von Analog gibt es SPICE Models, dort einfach die *.cir nach SwCADII/lib/sub kopieren und wie oben vorgehen.
"Andreas Weber" schrieb im Newsbeitrag news:462f1f9b$0$23133$ snipped-for-privacy@newsspool1.arcor-online.net...
Hallo Andreas,
wenn deine Diode nur 1pF oder wenige pico-Farad hat, dann macht eine Vorspannung überhaupt keinen Sinn in deiner Anwendung. Vorspannung würde ich hier glatt als Designfehler bewerten. Um ein brauchbares Signal zu Rauschverhältnis zu bekommen, mußt du deinen Feedbackwiderstand so goß wie irgendwie möglich machen. Ich rede hier von Mega-Ohms.
Weil mein Kunde bis 100MHz hinauf musste. Diesen heissen Ofen brauchst Du hier nicht. Waere sogar eher ungeeignet, weil auf HF-Verhalten gezuechtet.
Man sollte aber der Versuchung widerstehen, sich totzusimulieren und lieber beizeiten den Loeterich ansaften. Mit hatte bei meiner Laser Chose SPICE nicht viel gebracht und da haben wir erstmal alles auf dem Labortisch zusammengeloetet. Deshalb war es ein wenig frueher fertig und ich kann mir demnaechst (hoffentlich) ein paar Tage Freiberuflerurlaub goennen.
Warum das? Läßt sich die LED durch eine Laserdiode ersetzen? Und selbst wenn nicht, so kann man bei sorgfältiger Weglängeneinstellung dennoch Interferenz bekommen; Weißlichtinterferometer gibt es (ist aber ein Haufen Arbeit, das stabil zu bekommen).
Alternativ bleibt noch die APD-Lösung. Brauchst Du wirklich die Bandbreite von 50kHz oder kam Die eher wegen Deiner Modulationsfrequenz hinein? Wenn Du hinterher nur an 1Hz-Änderungen interessiert bist, gewinnst Du mit einem sehr schmalbandigen Lock-In-Verstärker wieder deutlich an Signal-Rauschverhältnis.
"Andreas Weber" schrieb im Newsbeitrag news:462fa26e$0$10190$ snipped-for-privacy@newsspool4.arcor-online.net...
Hallo Andy,
Schau auch mal in Richtung OPA124. Der ist besonders rauscharm. Der OPA124 hat auch noch viele Verwandte. Ob du allerdings mit einem Widerstand größer 20Mega-Ohm besser fährst, musst du ausprobieren. Also kauf dir schon mal 10Meg, 20Meg, 50Meg Widerstände und 0.x-pf Cs.
Details darf ich nicht mitteilen. Aber es ist beim VCSEL geblieben. Es gibt nichts anderes, was genuegend agil in der Wellenlaenge ist. Muss mich als HF-ler immer noch an Wellenlaengen gewoehnen. Aber wird sind ganz unten in den MHz-Bereich mit der Linienbreite gekommen. War nicht leicht, diese Regelung hinzuzimmern
Das heißt je größer die Transimpedanz(Widerstand), um so besser das Signal-Rauschverhältnis. Natürlich gibt es da Grenzen wegen Diodenkapazität, Spannungs-Rauschen und Strom-Rauschen des Opamps.
Danke, hab hier im Labor sogar ne Packung OPA124U und OPA129UB gefunden. Die sehen von der Spezifikation echt gut aus.
Die Bandbreite von 50kHz habe ich erst mal fallen lassen, probiere es mit einer Art Synchrondemodulation, dann reichen 5kHz Bandbreite.
Ja, ich denke nun es wird auf zwischen 10 und 30Meg rauslaufen. Habe hier blaue 15M und 100M Widerstände, sehen etwa so aus:
.-----. |RS | |100M | |J | '-----' | | | |
finde darüber aber absolut nicht im Internet.Die DSE-FAQ empfiehlt ja CMF55, RN55 von Vishay die aber scheinbar recht schwer in Deutschland zu beziehen sind.
Mouser hätte z.B. sowas:
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Könnte mir noch jemand einen Tipp für die Hochohm Widerstände geben?
Wuerde ich mit einer Serienschaltung aus 10M und darunter machen. 10M ist i.d.R. der hoechste Wert, den man noch in 1% bekommen kann. Z.B. von Vishay, Yageo und Rohm. Eine Serienschaltung erleichtert auch die Vermeidung von Kriechstroemen, falls sich jemand erdreistet, in der Naehe der Leiterplatte zu atmen ;-)
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