Laute Verstärkung und schwaches Licht: Frage zu Fotodioden und Operationsverstärkern

Ich habe gelesen, wie man eine Pseudomasse für die Kathode der Fotodiode herstellt und eine auf 1 V von den + 5 V des Steckbretts einrichtet. Dies scheint nicht so zu funktionieren, wie der Forenbeitrag angibt, oder ist meine Verstärkung möglicherweise so hoch, dass ich eine mV- oder pV-Pseudomasse benötige? Nicht sicher. Ich habe auch gelesen, dass die Wahl des Operationsverstärkers entscheidend ist, und ich bin mir nicht sicher, ob ich im Moment die richtigen für den Job habe. Könnte dies die lineare Reaktion und die Bodenpegel behindern?

Die Dinge, die Sie über den Aufbau dieser Schaltungen wissen sollten, sind:
1) Breadboards werden es nicht schneiden, dies fügt Ihrer Schaltung automatisch mehr als 10 pF und viel zu viel Induktivität hinzu, verwenden Sie Perfboard und löten Sie die Komponenten. Oder verwenden Sie Drahtwicklung. 10pF*1e6Ω = 10Hz, wenn Sie also ein Steckbrett verwenden, schneidet 10pF Ihre Bandbreite automatisch auf 10Hz ohne Verstärkungskondensator.

2) Sie benötigen einen Verstärker mit einem niedrigeren Eingangsruhestrom als dem, was Sie messen möchten. Ein Operationsverstärker mit einem Eingangsruhestrom im fA-Bereich wäre angemessen. Eingangsvorspannungsstrom bedeutet den Strom, der in die + und - Anschlüsse des Operationsverstärkers fließt. Wenn Sie pA messen möchten, denken Sie daran, dass selbst große Widerstandsmaterialien pA Strom liefern können, FR4 (Leiterplattenmaterial) fällt auf 10e8Ω, wenn es feucht ist, und wenn Sie 1 V auf die andere Seite der Leiterplatte legen, erhalten Sie 1 pA Leckage (und Offset). Wachspuren können wesentlich sein.

3) Wählen Sie einen Verstärker mit größerer Open-Loop-Verstärkung und größerer Bandbreite als erforderlich. Stellen Sie sicher, dass Sie verstehen, dass Kapazität und Verstärkung das Produkt der Verstärkungsbandbreite beeinflussen

4) Verwenden Sie zwei Verstärkerstufen, um Ihr Signal zu verstärken. Wenn Sie eine Verstärkung von 1e9 benötigen, verstärken Sie die erste mit 1e5 und die nächste mit 1e4 (z. B.)

Als nützliche Faustregel sollte Ihr Verstärker-Bias- (und Offset-) Strom eine Größenordnung kleiner sein als Ihr Betriebsstrom. Da Sie 0,3 pA (300 fA) messen möchten, sollten Sie auf dem Markt nach einem Operationsverstärker mit Eingangsströmen von etwa 30 fA suchen. Wie Sie sich vorstellen können, ist Ihr aktueller Verstärker nicht einmal annähernd ausreichend.

Zufälligerweise gibt es solche Operationsverstärker - sie werden allgemein als Elektrometer-Operationsverstärker bezeichnet.

Als Beispiel können Sie sich den ADA4530 ansehen. Bias-Ströme betragen 20 fA und die Verstärkungsbandbreite beträgt 2 MHz, also ist es nicht viel langsamer als Ihre derzeitige Wahl. Aber es gibt auch andere Modelle und andere Hersteller, also schau dich um.

Und wenn Sie schon dabei sind, müssen Sie sich auch Gedanken darüber machen, wie Sie mit diesen niedrigen Strömen umgehen. Sie kommen in die Nähe des Bereichs, in dem Leckströme leben, und Sie müssen zumindest anfangen, über peinliche Sauberkeit nachzudenken. Dinge wie Fingerabdrücke an der falschen Stelle können Ihren Tag wirklich ruinieren. Sie könnten erwägen, einige Artikel von Bob Pease zu lesen („What’s All This Femtoamp Stuff, Whatever?“ und „What’s All This Teflon Stuff?“ sind eine gute Lektüre.)

Und Sie müssen auch an die thermische Kontrolle Ihres Schaltkreises denken. Bei 22 MOhm im TIA ergeben 3 pA nominal 66 uV. Ein guter Operationsverstärker weist Offset-Driften der Eingangsspannung in der Größenordnung von 1 uV/dec C oder mehr auf, was ein Problem darstellen kann. Beachten Sie, dass der ADA4530 eine Worst-Case-Drift von 2,8 uV/°C aufweist, was etwa 4 % Ihres Messwerts pro Grad entspricht. Und wenn Sie, wie Sie sagten, 0,3 pA in Betracht ziehen, ist das eine Abweichung von 40 %/°C. Es ist wahr, dass Sie eine viel bessere Driftleistung erzielen können (siehe Zero-Drift-Operationsverstärker), aber sie haben nicht die aktuelle Leistung, die Sie suchen.

Wenn ich schon dabei bin, könnten Sie erwägen, überhaupt keine PDs zu verwenden. Wie wäre es mit einem guten CCD? Tatsächlich würden Sie das gesamte aktuelle Problem verfeinern, indem Sie den Detektorstrom integrieren und die Gesamtmenge in einem viel kürzeren, aber größeren Ausleseimpuls ausgeben. Sie würden eine Fokussierlinse benötigen, und die Ausrichtung wäre wichtig, aber Sie können Integrationszeiten wählen, um die erforderliche Verstärkung zu erhalten, und sie haben normalerweise dunkle Zellen an den Enden des CCD, damit Sie Temperaturdriften kompensieren können. 3 pA sind ungefähr 2 Millionen Elektronen/Sekunde, also ergibt eine Integrationszeit von 10 ms ungefähr 20.000 Elektronen/Probe, was ziemlich vernünftig ist. Wie ich schon sagte, müssen Sie jedoch sorgfältig auf die Optik achten. Nun, nichts ist kostenlos, oder?