Rauscharme Stromquelle/-senke

Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:

Hallo,

warum nimmst Du nicht einfach einen Feedbackwiderstand von ca. 2,5 kOhm?

Bernd Mayer .

So schlimm isset nich. Zwei Blechschrauben, anloeten, feddich:

Dann noch eine kleine Induktivitaet in Serie damit der Bereich ueber einigen zig kHz abgedeckt ist, denn die Windungkapazitaet spielt einem sonst eventuell einen Streich. Aber Achtung, sind Blechkerne.

So richtig esoterisch waere ein Gyrator aber da muesste man erstmal die Rauschsituation abklopfen. Mit sowas haettest Du natuerlich hinterher absoluten Guru-Status.

=?UTF-8?B?SsO8cmdlbg==?= Appel :

Sowas fängt auch ganz gern alles mögliches Zeugs aus der Umgebung ein. Schlimmer als Rauschen.

M.

Weil ich dann das größere Johnson-(Strom-)rauschen dieses Widerstandes sehen würde. Genau das möchte ich ja gerne vermeiden.

Gruß, Jürgen

Am 10.01.2012 00:29, schrieb J=C3=BCrgen Appel:

it

en.

ich nach einer

versenken

beim Stichwort Photodiode f=C3=A4llt mir Phil Hobbs' Artikel 'Ultrasensit= ive=20 Laser Measurements without tears" ein, der auf seiner Homepage=20

Wenn du in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung die Vergleichsdiode D2=20 durch einen Widerstand ersetzt, der an einer rauscharmen Spannungsquelle =

h=C3=A4ngt, dann regelt die Schaltung automatisch den Gleichanteil im=20 Ausgangssignal zu Null und das Rauschen bleibt =C3=BCbrig.

Gru=C3=9F, Alexander

Was für ein Rauschen ist das eigentlich? Ich habe mal nachgeguckt und das kann entweder angelsächsisch für "thermisches Rauschen" sein, oder das "Funkelrauschen" (flicker noise). Was das thermische Rauschen angeht, habe ich mir gemerkt, dass das mit steigendem Widerstand zunimmt und materialabhängig ist, Kohleschicht also z.B. schlechter als Metallschicht ist. Also genau das Gegenteil von Deiner Aussage.

Hallo,

Du kannst immer die Gesamtsumme des Rauschens sehen, also Strom- und Spannungsrauschen zusammen. Vom Ersatzschaltbild her liegt Deine Photodiode parallel zum Feedbackwiderstand - sofern ich mir Deine Schaltung richtig vorstelle. Bei starker Beleuchtung ist die Photodiode niederohmig d.h. es kommt auch darauf an in welchem Helligkeitsbereich Du messen möchtest. Da Du bis 10 MHz Bandbreite messen möchtest muss man bei hochohmigen Rückkoppelungswiderständen auch die Auswirkung von Streukapazitäten berücksichtigen damit die Messbandbreite nicht verfälscht wird. Bei 25 kOhm und 1pF Streukapazität komme ich auf eine Bandbreite von 6 MHz - für eine Messung sollte der Verstärker schon etwas breitbandiger sein damit dieser nicht schon die Messbandbreite begrenzt.

Bernd Mayer

Exakt genau das war der Plan. (nur, daß man evtl. den Stromspiegel durch einen MOSFET ersetzen könnte). Nur habe ich momentan nur +-15V im Detektor, und müßte für diese Lösung bei bis zu 5mA Photostrom >1W die -250V entweder erzeugen oder per Zusatztrafo einspeisen. Das wird dann wohl mein erster Photodetektor mit Leistungswiderstand...

Gruß, Jürgen

Moin!

Versteh ich nicht - 5 mA machen soviel Schrotrauschen wie ein Widerstand von 10 Ohm thermisches Stromrauschen bei 300 K. Da wären doch selbst 1k als DC-Bypass völlig vernachlässigbar?

Gruß, Michael.

Am 11.01.2012 00:18, schrieb J=C3=BCrgen Appel:

sitive

le

durch

Detektor,

m>1W die -250V entweder

Ich verstehe jetzt noch nicht, warum du -250V und einen hochohmigen=20 Widerstand brauchst. Der Stromsplitter aus dem Artikel zieht genau so=20 viel Strom von deiner Photodiode weg, um am Ausgang des=20 Transimpedanzverst=C3=A4rkers einen Gleichspannungspegel von 0V zu erreic= hen.=20 Dazu reicht die negative Versorgungsspannung aus, wenn sie stabilisiert=20 und gut gesiebt ist.

Gru=C3=9F, Alexander

Das thermische Rauschen ist gemeint.

Das gilt für das Spannungsrauschen.

Das thermische Rauschen eines Widerstandes hat eine Leistungsdichte von p=4 k T pro Hertz Bandbreite. Da p=u*i und u=R*i hängen Strom- und Spannungsrauschen zusammen. Damit ergibt sich für das Rauschen in einer Bandbreite df für die Spannung über dem Widerstand Urms=sqrt(4 k T df R) und für den Strom durch den Widerstand Irms=sqrt(4 k T df /R).

Steigender Widerstand R ergibt somit eine größere Rauschspannung und einen kleineren Rauschstrom. Der Photostrom fließt durch den Widerstand und ist die Größe, die gemessen wird. Oder anders gesagt: Der vom Photostrom verursachte Spannungsabfall über dem Widerstand wächst mit R, das Rauschen nur mit sqrt(R). Deshalb wird das Signal- zu Rauschverhältnis (im Bezug auf thermisches Widerstandsrauschen) besser, wenn der Widerstand größer wird.

Gruß, Jürgen

Damit der Stromsplitter funktioniert, muß Icomp>Isignal sein. Und Isignal ist bei 10mW ca. 5 mA. Durch den Widerstand, der D2 ersetzt, fließen also max 5 mA. Wenn dieser Widerstand nicht größer als der 25k Widerstand im Transimpedanzverstärker ist, dominiert sein Johnson-Rauschen. Und mit einem

Gruß, Jürgen

Am 11.01.2012 09:16, schrieb Jürgen Appel:

Hm. Sich da allein auf das Rauschen eines einzigen Widerstands zu fokussieren, erscheint mir ziemlich gewagt. Sinnvoll wäre vielleicht, für ein komplettes System ein Rausch-ESB zu erstellen, um die frequenzabhängigen Beiträge aller Komponenten zum Gesamtrauschen quantifizieren zu können. Dann erst kann man sich doch wohl um eine Optimierung bemühen?

V.

Am 11.01.2012 08:51, schrieb Jürgen Appel:

Hallo,

ich denke das Problem hat mehrere Dimensionen!

Alleine schon die Fotodiode hat keine konstanten Eigenschaften die eine einfache Berechnung ermöglichen. Da ist vieles von der Beleuchtung abhängig und auch von der Sperrspannung (Kapazität). Man muss immer auch die konkreten Eigenschaften der eingesetzten Fotodiode berücksichtigen. Und beim Rauschabstand sind auch die Signaleigenschaften wichtig (Pegel und Frequenz).

IIRC kann man beim Transimpedanzverstärker im Ersatzschaltbild die Fotodiode parallel zum Rückkoppelungswiderstand liegend betrachten auch für das Rauschen.

Ich denke dass da - helligkeitsabhängig - der Ersatzwiderstand der Photodiode das Widerstandsrauschen der Gesamtschaltung definieren kann.

Für Rauschen und auch den Rauschabstand ist auch die Bandbreite wichtig und da spielen dann die Zeitkonstanten eine Rolle, für breitbandige Signale sind geringe Kapazitäten und Widerstände sinnvoll.

Bei einer solchen Schaltung würde ich immer ergänzend zu einer Berechnung oder Simulation auch eigene Messungen durchführen.

Zum Überprüfen der Bandbreite der Gesamtschaltung kann man ja mal zusätzlich einen Strom in den Transimpedanzverstärker einspeisen über die Frequenz.

Am Rauschen des Signalausgangs kann man nicht mehr trennen ob das jetzt Strom- oder Spannungsrauschen des Rückkoppelungswiderstandes ist oder andere Ursachen hat (Stromversorgung, Layout, optisches Rauschen usw..)

Bernd Mayer

Mir geht es darum, mit dem Detektor das Laserrauschen zu analysieren. Technisches Rauschen kann man vom Schrotrauschen anhand des Skalierungsverhaltens unterscheiden.

Schrotrauschen im Laser führt zu einer linear mit der optischen Leistung skalierenden Rauschleistungsdichte im Photodetektorsignal, während technisches Rauschen zu quadratischer Saklierung führt. Deshalb möchte ich gerne das Schrotrauschlimit schon bei möglichst geringen optischen Leistungen erreichen, aber dennoch die Möglichkeit haben, bis zu 10mW messen zu können (das ist in etwa das Leistungslimit der Photodiode).

Mit einem 25kOhm Feedbackwiderstand im Transimpedanzverstärker käme ich auf meine gewünschte Bandbreite und könnte bis runter auf das Schrotrauschen von

Hmm... ich sehe gerade daß das weniger ist, als ich wirklich benötige.

Vielen Dank für's Nachfragen, ich muß mich wohl das letzte Mal beim Wegkürzen der Zehnerpotenzen verhauen haben. Dank Deiner Frage habe ich noch einmal nachgerechnet und werde ich wohl in der Tat mit 2k5 (entsprechend dem Schrotrauschen von 20µA) und -15V Versorgungsspannung leben können.

Vielen Dank nochmal, Jürgen

Der Widerstand muss aber nicht ohmsch sein :-)