Photodetektor - mal wieder

22/05/2012 - 20:42 von Michael Eggert | Report spam
Moin!

Wir benötigen einen möglichst rauscharmen Photodetektor für 532 nm,
Frequenzbereich etwa 100 kHz bis 20 MHz, Linearitàt und Frequenzgang
nebensàchlich. Da das Licht aus einer MM-Faser kommt, genügt eine
aktive Flàche ab einem halben Millimeter Durchmesser.

Meine erste Wahl würde auf einen Photomultiplier fallen - niedrigster
Dunkelstrom bei satter Verstàrkung (10^6), so daß der nachfolgende
Transimpedanzverstàrker kein Problem ist. Dummerweise gibts eine
anstàndige QE von 40% nur mit GaAsP-Photoschicht und die einzige Röhre
(R3809U-64), die der anscheinend einzig verbliebene Hersteller von
Photomultipliern mit dieser Schicht anbietet, kostet >20kEUR
(vermutlich aufgrund der MCP-Verstàrkerstufe, deren Breitbandigkeit
wir aber gar nicht ausnutzen würden).

Momentan haben wir eine ungekühlte APD mit integriertem TIA. Bei
unserer Wellenlànge betràgt die NEP ca. 40 fW/rtHz (optische
Eingangsleistung, die ein Signal mit gleichem Effektivwert erzeugt wie
das Dunkelstromrauschen). Das Dunkelstromrauschen könnte gerne
niedriger sein.

Gekühlte APDs besitzen weitaus weniger Dunkelstrom(rauschen), doch
hier wird dann das eigentliche Problem offensichtlich: Bereits ein
handelsüblicher TIA mit einem für unseren Frequenzbereich normalen
Eingangsrauschen von 2 pA/rtHz führt bei einer Verstàrkung der APD von
200 und einer QE von 50% zu einer NEP von 50 fW/rtHz. Das niedrige
Dunkelstromrauschen einer gekühlten APD ließe sich damit also
überhaupt nicht ausnutzen.

Wünschenswert wàre eine Reduzierung des TIA-Eingangsrauschens um eine
Größenordnung, also auf unter 0,2 pA/rtHz. Opamps mit noch weniger
Eingangsrauschen gibts durchaus, aber dann muss auch das thermische
Rauschen des Rückkoppelwiderstands unter diesem Wert bleiben, und
damit sind wir schnell in der Größenordnung von 1 MOhm - da hilft dann
auch Hobbs' Kaskode nicht mehr weiter.

Gibts da noch andere Möglichkeiten? Hier und da hab ich was mit
FET-Vorstufe gesehen, aber da scheitere ich schon an der Simulation,
da ich zu absolut keinem modernen HEMT/MESFET/... ein in LTSpice
funktionierendes Modell finde - nur S-Parameter ab 100 MHz helfen mir
wenig weiter. Bringts was, die gute alte Triode wieder auszugraben
(hab ich keine Ahnung von)? Oder gibts doch noch einen zweiten
Hersteller von Photomultipliern?

Gruß,
Michael.
 

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#1 Joerg
22/05/2012 - 21:24 | Warnen spam
Michael Eggert wrote:
Moin!

Wir benötigen einen möglichst rauscharmen Photodetektor für 532 nm,
Frequenzbereich etwa 100 kHz bis 20 MHz, Linearitàt und Frequenzgang
nebensàchlich. Da das Licht aus einer MM-Faser kommt, genügt eine
aktive Flàche ab einem halben Millimeter Durchmesser.




Das ist ja ein voellig unpolitisches Thema, das geht hier aber nicht :-)


Meine erste Wahl würde auf einen Photomultiplier fallen - niedrigster
Dunkelstrom bei satter Verstàrkung (10^6), so daß der nachfolgende
Transimpedanzverstàrker kein Problem ist. Dummerweise gibts eine
anstàndige QE von 40% nur mit GaAsP-Photoschicht und die einzige Röhre
(R3809U-64), die der anscheinend einzig verbliebene Hersteller von
Photomultipliern mit dieser Schicht anbietet, kostet >20kEUR
(vermutlich aufgrund der MCP-Verstàrkerstufe, deren Breitbandigkeit
wir aber gar nicht ausnutzen würden).

Momentan haben wir eine ungekühlte APD mit integriertem TIA. Bei
unserer Wellenlànge betràgt die NEP ca. 40 fW/rtHz (optische
Eingangsleistung, die ein Signal mit gleichem Effektivwert erzeugt wie
das Dunkelstromrauschen). Das Dunkelstromrauschen könnte gerne
niedriger sein.

Gekühlte APDs besitzen weitaus weniger Dunkelstrom(rauschen), doch
hier wird dann das eigentliche Problem offensichtlich: Bereits ein
handelsüblicher TIA mit einem für unseren Frequenzbereich normalen
Eingangsrauschen von 2 pA/rtHz führt bei einer Verstàrkung der APD von
200 und einer QE von 50% zu einer NEP von 50 fW/rtHz. Das niedrige
Dunkelstromrauschen einer gekühlten APD ließe sich damit also
überhaupt nicht ausnutzen.




Der LT6350 laege schonmal bei der Haelfte, 1pA/rtHz. Aber das ist fuer
Euch noch nicht so der Bringer, eine Suche nach weiteren koennte sich
lohnen.


Wünschenswert wàre eine Reduzierung des TIA-Eingangsrauschens um eine
Größenordnung, also auf unter 0,2 pA/rtHz. Opamps mit noch weniger
Eingangsrauschen gibts durchaus, aber dann muss auch das thermische
Rauschen des Rückkoppelwiderstands unter diesem Wert bleiben, und
damit sind wir schnell in der Größenordnung von 1 MOhm - da hilft dann
auch Hobbs' Kaskode nicht mehr weiter.

Gibts da noch andere Möglichkeiten? Hier und da hab ich was mit
FET-Vorstufe gesehen, aber da scheitere ich schon an der Simulation,
da ich zu absolut keinem modernen HEMT/MESFET/... ein in LTSpice
funktionierendes Modell finde - nur S-Parameter ab 100 MHz helfen mir
wenig weiter. Bringts was, die gute alte Triode wieder auszugraben
(hab ich keine Ahnung von)? Oder gibts doch noch einen zweiten
Hersteller von Photomultipliern?




SPICE Modelle gibt es in dem Bereich leider so gut wie nie, das raffen
Hersteller einfach nicht wie wichtig die sind. Manchmal intern schon,
aber sie ruecken sie nicht raus. Da hilft nur probieren, der NE3509 ist
z.B. ab Lager beschaffbar:

http://www.cel.com/parts.do?command...ootPartr3#

Am besten ist es aber Phil Hobbs direkt zu fragen. Er schlaegt sich
dauernd mit sowas rum. Ich habe zwar selbst auch schon Schaltungen fuer
APD entworfen aber soweit hinunter das Gras wachsen hoeren mussten wir
noch nicht.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com/

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