Lesen einer Fotodiode in Nanosekunden-Intervallen

Ich muss eine LED (NTE 30030) für 100 Millisekunden einschalten, ausschalten und dann sofort (< 1 ns oder so nahe wie möglich) Messungen an einer nahe gelegenen (< 10 mm von der LED entfernten) Fotodiode in 1 ns-Intervallen durchführen für 5 ns. Diese Messungen können in einen speziellen Pufferchip eingegeben werden, der später mit einem Arduino-Gerät abgerufen werden kann.

Geht das mit Spezialchips? Kann Arduino das? Welche Art von Literatur muss ich lesen, um dieses Problem zu verstehen?

BEARBEITEN: Aus Gründen der Übersichtlichkeit gilt dies für Atomfluoreszenz. Der von uns verwendete Biomarker fluoresziert nur noch 2,6 ns nach dem Abschalten der Anregung. Ich kann auch einen Laser verwenden, wenn das es einfacher macht. Aus Kostengründen können wir nicht den Weg von Photomultiplier-Röhren oder monochromatischen Aufbauten gehen. Wir versuchen, dies zugänglich zu machen, aber es ist möglicherweise nicht möglich, dies zu tun, wenn Sie einige der Kommentare unten lesen. Ich bin kein Elektronikexperte.

1 ns ? nein nicht möglich oder sogar in der Nähe.
Welche Phänomene versuchen Sie zu messen? Ich würde gerne davon überzeugt werden, dass für Ihr Projekt eine Reaktionszeit von < 1 ns und eine Abtastrate von 1 GHz tatsächlich erforderlich sind
@JonL Es klingt für mich sehr nach einem Fluoreszenz- oder (weniger wahrscheinlichen) Phosphoreszenz-Messprozess. Aber das OP muss es sagen, nehme ich an. (Hmm. 575nm.)
@JonL Der Grund, warum ich denke, dass es Atomfluoreszenz sein muss, ist, dass die Zeitskalen ungefähr richtig sind. Atome (das Timing und die Energie sind atomar und nicht gitterförmig/molekular) absorbieren und emittieren Photonen in etwa der Größenordnung, über die wir hier sprechen. Zur Berechnung der τ man kann diese Art von Gerätefähigkeit benötigen. Es könnte auch nur eine direkte Messung der Reemission eines beliebigen Atoms sein.
1 ns ist etwa die Halbwertszeit von Aspirin, angeregt bei 240 nm, umgerechnet auf 380 nm
@TonyStewart: Es gibt GHz-Bereiche ... also muss ich glauben, dass dies physikalisch möglich ist. Nicht das es einfach wird...
kostet viel mehr als ein Arduino
OP achtet darauf, weitere Nachforschungen anzustellen, z. B. electronics.stackexchange.com/questions/86717/…
@AndrewSpott Das Problem besteht nicht darin, mit 1 Gsps abzutasten. Das Problem besteht darin, die LED schnell genug auszuschalten, damit sie nicht heller ist als die Phosphoreszenz, die Sie messen möchten.
Es ist für Atomfluoreszenz. Die Reaktionskurve für den Biomarker ist eine Peak-Fluoreszenz bis 2,6 ns nach dem Abschalten. Dies ist möglicherweise nicht möglich, wie ich den Kommentaren hier entnehmen kann. Der Grund, warum wir diese Methode ausprobieren, ist, die Kosten zu senken, um etwas Tragbares und preiswertes herzustellen (dh keine Photomultiplierröhren oder Monochromatoren), damit die Leute in der Lage sein werden, ihre eigenen billig zu bauen. Ich kann auch einen grünen Laser als Input verwenden.
@AliChen Ich habe nicht das Vokabular, um den Artikel "Was ist die Latenz einer LED?" gefunden zu haben. Aber das war nicht meine Frage. Jetzt ist mir jedoch klar, dass dies ein wichtiger Aspekt meiner Frage ist. Ich werde mehr recherchieren. Aber deswegen habe ich gefragt.
Müssen Sie Amplituden messen, oder wird dieses Signal ein Pass/Fail-Binärsignal für jede der 5 Proben sein? Digitale Hardware, die mit GHz-Geschwindigkeiten betrieben wird, ist nicht trivial, aber analoge Messwerte mit diesen Geschwindigkeiten zum Billigpreis erfordern wirklich einen Spezialisten. Ist es möglich, einen Elektronikexperten in Ihr Team zu holen? Wenn Sie sich Gedanken über die Stückkosten machen, kann jemand, der sowohl Hochgeschwindigkeitselektronik als auch die Besonderheiten Ihrer Aufgabe kennt, von unschätzbarem Wert sein.
Ich würde ein gewisses Maß an Amplituden benötigen. Vielleicht keine hohe Auflösung, aber eine Skala von mindestens 0-256. Ich denke, Sie haben Recht, dass ich mit einem Experten sprechen muss. Ich hatte das nicht bemerkt und ich bin weit über meinen Kopf, wie ich sehen kann. Wo kann ich online einen Experten für Hochgeschwindigkeitselektronik finden und beauftragen, der einige und mehr dieser Fragen beantworten kann? Das muss eine schwer zu findende Spezialität sein.
Ich kenne Leute, die damit ihren Lebensunterhalt in Großbritannien verdienen, aber sie sind wirklich nicht billig. Wenn Sie mehrere Zehntausend $ ausgeben müssen, könnte ich Sie wahrscheinlich kontaktieren.
@ejkitchen Danke für die Bestätigung. Dies ist ein Bereich, auf den ich mich spezialisiert habe. So sah es für mich aus! Hochgeschätzt. Mich interessieren eigentlich die Details. Aber ich nehme an, das ist hier nicht angebracht.

Antworten (2)

1 ns ? nein nicht möglich oder sogar in der Nähe.

Sie können es in 30 ns einschalten, aber das Ausschalten dauert länger mit einem konventionellen Schalter mit hoher Impedanz, vielleicht < 500 ns mit einem Shunt-Treiber ausschalten.

Um das Licht mit dieser Geschwindigkeit zu erfassen, ist jedoch ein Fotodetektor mit extrem niedriger Kapazität und einem Verstärker mit sehr niedriger Impedanz und niedriger Verstärkung erforderlich, da sich die Anstiegsgeschwindigkeiten der Stromquelle bei geringerem Licht verlangsamen. Ein GaP PD hat eine Slew ON/OFF Zeit von 1 ns / 140 ns zB Thorlabs FGAP71

Möglicherweise müssen Sie für diese Abklingzeiten mit Quarzglas-Fotodetektoren 1 ns / 1 ns, z. B. FDS010, ~ 60 US-Dollar und dann teuren Verstärkern mit mikrowellenrobusten Baugruppen für Stabilität in Laser und fortschrittliche Photonik einsteigen.

https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=0636-S01.pdf&partNumber=FDS010

Glaubst du, ich könnte die Abschaltzeit verkürzen, wenn ich einen Laser verwenden würde?
sicherlich schneller als eine LED
Wenn Sie teurer sagen, sprechen Sie von 1 $ gegenüber 14 $ oder brauche ich eine spezielle Art von Laser? Ich kann einen Laser verwenden, um die Anregung durchzuführen, und einige billige sind in Bezug auf die Wellenlänge in der Nähe dessen, was ich brauche. Das könnte funktionieren.
Laserkosten im Bereich von 100 US-Dollar, gepulst von 100 % bis < 10 %, können je nach Wellenlänge und teuren optischen Filtern die gewünschte Reaktion ergeben. .. Sie müssen suchen.
Wir haben alles, was mit Laser/LED und teuren Filtern funktioniert, sowie andere ausgefallene Dinge, um Rauschen zu reduzieren. Jetzt versuchen wir einfach, ein billiges tragbares Gerät mit handelsüblichen Komponenten herzustellen. Das ist unser Kampf im Moment und es ist vielleicht nicht möglich, dies zu tun. Danke für die Rückmeldungen und Antworten. Sehr geschätzt.

Müssen Sie jedes Sample mit einer beliebigen Amplitudenauflösung oder nur mit zeitlicher Auflösung aufnehmen?

Eine genaue Amplitudenmessung bei 1 GHz ist nicht billig, aber wenn Sie nur eine wirklich genaue Stoppuhr benötigen, könnte so etwas wie der THS788 funktionieren. Es handelt sich um einen hochpräzisen Zähler mit einem LSB von 13 pS und einem MSB von +/- 7 Sekunden (obwohl die minimale erkennbare Impulsbreite 5 nS beträgt, sodass Sie möglicherweise einige selbsthaltende Komparatoren hinzufügen müssen).

Wenn Sie es mit einem geeigneten Fotodiodenverstärker koppeln, können Sie die Zeit messen, in der Ihr Signal einen Satz von 4 Schwellenwerten überschreitet (der THS788 hat 4 Eingangskanäle und wenn jeder einen Komparator hat, haben Sie die Idee). Als eine Art zusätzlicher Bonus hat der THS788 einen Sync-Eingang, der t = 0 setzt, den Sie an Ihre LED-Quelle anschließen können, um den Zähler auszulösen.

Aber, wie Tony sagte, alles, was mit Sub-Nanosekunden-Flanken zu tun hat, kostet viele Hundert Dollar (z. B. 60 Dollar für den PD, 160 Dollar für den 788, ein ADCMP566 kostet ~ 9 Dollar und reagiert auf Impulsbreiten bis zu 200 pS, das sind bereits ~ 250 Dollar und das ist ohne einen Hochgeschwindigkeits-PD-Verstärker, einen Hochgeschwindigkeitstreiber für die LED oder andere unterstützende Schaltungen). Aber wenn Sie auch Amplitudenmessungen durchführen müssen , rechnen Sie mit einem mindestens vierstelligen Preisschild.

Danke für die Rückmeldung! Ich denke, ich kann das vielleicht nicht. Wenn ich es auf ein paar hundert bringen könnte, würde das funktionieren, aber über tausend ist das für unsere Ziele nicht mehr machbar. Es ist ein Open-Source-Projekt und muss für ärmere Länder erschwinglich sein.
@ejkitchen Für die Fluoreszenz benötigen Sie außerdem einen Strahlteiler, einen oder zwei Dünnschichtfilter und eine Baugruppe für all dies - wenn ich meine Gedanken richtig projiziere. Es gibt eine Menge Dinge, abgesehen von den elektronischen Teilen allein, die dies schwierig machen. Jede elektronische Schaltung wird dies ohnehin tun, wenn es um diese Geschwindigkeiten geht, aber ich denke, Sie müssen möglicherweise das Integral des Prozesses anstelle eines direkten Maßes berücksichtigen. Sie können vielleicht das Verhältnis zweier Integrale bilden? Sie müssen andere Möglichkeiten prüfen, um den Preis zu senken. Und erkunden Sie die Mathematik hier nach Ideen.
@ejkitchen sei nicht zu entmutigt. Der Preis skaliert mit der Abtastrate und der Abtastauflösung. Wenn Sie also mit langsameren Impulsen auskommen, sinkt der Preis direkt nach unten. Wenn Sie mit 10-nS-Abtastwerten auskommen, kann ich mir leicht vorstellen, dass dieses Ding für weniger als 1 US-Dollar erledigt wird k. Der Übergang von Hunderten von MHz zu GHz war schon immer teuer, da er eine ganz andere Designmethodik erfordert, da Sie in den Mikrowellenbereich einsteigen, beginnen alle Arten von HF-Voodoo, Ihre Schaltung durcheinander zu bringen.
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