Integrierten Strom messen

Ich möchte die Lichtmenge messen, die in einem bestimmten Zeitfenster (ca. 1 ms) auf eine Fotodiode trifft. In diesem Fenster erhalten wir 10 6 − 10 7 Photonen, die mit einer Effizienz von etwa 80% in Elektronen umgewandelt werden.

Das Standardverfahren zur Durchführung dieser Messung besteht darin, einen Transimpedanzverstärker zu verwenden, um den Strom in eine Spannung umzuwandeln, die dann während der gesamten Zeitdauer schnell abgetastet und integriert wird. Es gibt jedoch viele Stellen, an denen sich Rauschen einschleichen kann. Jede der Messungen ist ziemlich laut, und dies wird integriert.

Ich habe mich gefragt, ob es eine genauere Methode zum Messen der in diesem Fenster erzeugten Gesamtladung gibt.

Bisher habe ich so etwas wie ein analoges CCD in Betracht gezogen:

  • Ein Kondensator wird verwendet, um die Ladung zu speichern.
  • Wenn das Zeitfenster abgelaufen ist, kann ein digitales Signal den Kondensator von der Fotodiode trennen
  • Die Ladung des Kondensators wird dann mit einer Methode gemessen, an die ich noch nicht gedacht habe

Wenn jemand einen Rat hat, würde ich ihn gerne hören. Im Wesentlichen habe ich derzeit eine verrauschte Messung des Stroms über die Zeit, die ich gegen eine genauere Messung der erzeugten Gesamtladung eintauschen möchte.

Bearbeiten: Als Kontext wurde diese Frage aufgeworfen, als mir klar wurde, dass ein Einzelpixel-CCD diese Aufgabe tatsächlich viel besser erledigen würde als eine Fotodiode. Sie können große Quanteneffizienzen haben und Rauschen im 10er-Bereich von Elektronen auslesen. Leider scheint es, soweit ich das beurteilen kann, keine Einzelpixel-CCDs zu geben. (Auch die dunkle Strömung ist ein wenig problematisch, aber man kann sie immer abkühlen).

Eine Avalanche-Photodiode (oder ein Photomultiplier) könnte auch besser geeignet sein, aber wir versuchen, Hochspannung zu vermeiden.

Vielleicht wäre diese Diplomarbeit hilfreich: Design of High-Resolution Photodiode Readout Circuitry for a Bio-Implantable Continuous Glucose Sensing Chip ( repository.tudelft.nl/islandora/object/… )
Integration neigt dazu, Rauschen zu reduzieren. Es ist die Differenzierung, die dazu neigt, das Rauschen zu verstärken.
Die Anzahl der Photonen, die Sie zählen müssen, ist sehr gering, daher ist vielleicht die beste Wahl ein Photomultiplier : Der Betrieb solcher Geräte erfordert jedoch einige Sorgfalt, da es sich um Geräte mit sehr hoher Geschwindigkeit und hoher Spannung handelt.
@ThePhoton hat recht; Da Sie dies integrieren, wird das Rauschen reduziert, nicht verschlechtert.
Es sieht so aus, als wollten Sie so weit wie möglich herunterkommen 100 pA von photogeneriertem Strom. Welche Auflösung erwartest du da? Welches Grundrauschen ist akzeptabel? Welche Genauigkeit benötigen Sie (denken Sie daran, dass Genauigkeit die Rückverfolgbarkeit auf Standards beinhaltet). Welche Methoden zur Kalibrierung der Genauigkeit besitzen Sie? Welche Wiederholbarkeit würden Sie benötigen, wenn Sie zwei davon bauen würden? (Wie nahe würden Sie erwarten, dass ihre Messungen bei genau derselben Messsituation sind?) Und berücksichtigen Sie auf jeden Fall die Änderung der Vorspannungsströme für Operationsverstärker über der Temperatur. Gruselig, nicht selten.
@jonk Ja, die Ströme sind sehr klein. Ich habe etwas übertrieben, da das Fenster oft nur 100 us beträgt und es innerhalb der ersten 10 s von uns eine erhebliche Konzentration des Stroms gibt. Genauigkeit ist nicht von großer Bedeutung, da wir relative Messungen durchführen, aber Linearität und Wiederholbarkeit sind es. Idealerweise streben wir die Schrotrauschgrenze an, also ein SNR von etwa 1000 bei der Endmessung. Bias-Stromdrift: Das werde ich überprüfen.
@ThePhoton Vielleicht war das unklar. Ich meinte, dass das Gesamtrauschen zunimmt, wenn Sie alle sequentiellen Messungen hinzufügen (integrieren). Das SNR sinkt jedoch.
@Ben34576 Integrieren Sie einen exponentiellen Abfall, wie er beispielsweise beim Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzabfall erzeugt werden könnte?
Silizium-Photomultiplier arbeiten laut Wikipedia bis hinunter zu 20 V, in der Realität wahrscheinlich noch weniger. Was ist eine ausreichend niedrige Spannung?
@ Ben34576, warum machst du dir Sorgen, dass das Gesamtrauschen zunimmt, wenn das SNR zunimmt?
@thePhoton Ich glaube, ich war unklar. Ja, die Integration ergibt ein besseres SNR als jede Einzelmessung. Wenn ich 100 Datenpunkte der Größenordnung 10 habe, jeder mit Rauschen 1, geht mein gesamtes SNR durch Integration von 10 auf 100. Wenn ich jedoch dieses Gesamtsignal in einen einzigen Punkt der Größenordnung 1000 komprimieren könnte, könnte das SNR 1000 betragen. Das meine ich mit der Integration des Rauschens. Durch zeitliches Spreizen des Signals wird das Gesamt-SNR verringert.
@HKOB Entschuldigung, ich dachte an Photomultiplier-Röhren. Ich habe noch nie Silizium-Photomultiplier gesehen. Sie sehen aus, als könnten sie geeignet sein. Allerdings neigen sie dazu, bei 780 nm, wo wir arbeiten, eine ziemlich geringe Erkennungseffizienz zu haben.
@jonk Der Zerfall ist ungefähr exponentiell, ja.
@Ben34576 Du suchst also die Fläche unter der Kurve? Oder Sie möchten herausfinden, wie lange es dauert, bis ein bestimmter Bereich unter der Kurve stattfindet, und die berechnen τ davon?

Antworten (1)

Das Standardverfahren zur Durchführung dieser Messung besteht darin, einen Transimpedanzverstärker zu verwenden, um den Strom in eine Spannung umzuwandeln, die dann während der gesamten Zeitdauer schnell abgetastet und integriert wird. Es gibt jedoch viele Stellen, an denen sich Lärm einschleichen kann.

Das Reduzieren der Stellen, an denen sich Rauschen einschleichen kann, ist genau der Grund, warum Sie Ihr Signal so schnell wie möglich digitalisieren und so wenig analoge Verarbeitungsstufen wie möglich verwenden möchten.

Jede der Messungen ist ziemlich verrauscht, und dies wird integriert.

Die Integration neigt dazu, das Rauschen zu reduzieren, nicht zu erhöhen, da die Integration von Natur aus die Bandbreite begrenzt.

Es ist die Differenzierung, die dazu neigt, das Rauschen zu verstärken.

Sie können sicherlich eine integrierende Antwort in Ihren Transimpedanzverstärker einbauen:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Wenn R1 sehr hoch ist, wird die von C1 bereitgestellte integrierende Reaktion tendenziell die TIA-Reaktion dominieren, und Sie werden effektiv eine integrierende TIA haben. Tatsächlich wird diese Konfiguration häufig verwendet, da der kapazitive Rückkopplungspfad die Stabilität des Verstärkers verbessern kann, selbst wenn eine integrierende Reaktion nicht erwünscht ist. Die integrierende Version überkompensiert diese gemeinsame Schaltung im Wesentlichen nur.

Wenn Sie den Ausgang zurücksetzen müssen, benötigen Sie eine zusätzliche Schaltung, um C1 zu entladen (ohne dass der Operationsverstärker in die Sättigung geht).

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