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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik High Speed Transimpedanzverstärker


Autor: Andreas Tschepp (lathello)
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Hallo zusammen,

bei meiner Recherche zum Thema High Speed Transimpedanzverstärker, bin 
ich mehrmals über dieses Forum gestolpert. Genau gesagt geht es um die 
Detektion und Verstärkung eines Lichtsignals von ungefähr 1 nW mit einer 
Zeitdauer von 20 ns bis 0.1 ns.

Bei meiner bisherigen Suche bin ich immer wieder auf Lösungen mit 
PIN-Photodioden und Transimpedanzverstärkern gestoßen. Ich habe 
verschiedene Dioden, TIA´s sowie Komplettsysteme endeckt.

Da ich ein absoluter Neuling auf diesem Gebiet bin, habe ich mir 
gedacht, dass ihr mir vielleicht ein paar Anstöße zum Thema 
Photodiden-Verstärkerschaltungen geben könnt. Natürlich habe ich das 
Forum zuvor auf ähnliche Artikel durchsucht, es hat sich aber 
anscheinend bis jetzt noch niemand in diesen Bandbreitenbereich begeben.

Kann mir zum Beispiel jemand ein Komplettsystem (Photodiode-TIA-ev. 
weiterer Verstärker) empfehlen. Ein solches System wäre für mich in 
erster Linie interessant um davon zu lernen.

TIA würde mir zum Beispiel der ADN2820 von Analog Devices zusagen.

Ich lasse den Beitrag einmal so wie er ist und hoffe auf ein paar Tipps.

Grüße Andreas

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Andreas Tschepp (lathello)

>Detektion und Verstärkung eines Lichtsignals von ungefähr 1 nW mit einer
>Zeitdauer von 20 ns bis 0.1 ns.

>Forum zuvor auf ähnliche Artikel durchsucht, es hat sich aber
>anscheinend bis jetzt noch niemand in diesen Bandbreitenbereich begeben.

Was wohl daran liegt, dass 0,1ns = 100ps ~ 3 GHz kein Pappenstil sind 
und im Hobbybereich eher selten ;-)

MFG
Falk

Autor: Andreas Tschepp (lathello)
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@Falk Brunner (falk)

> Was wohl daran liegt, dass 0,1ns = 100ps ~ 3 GHz kein Pappenstil sind
> und im Hobbybereich eher selten ;-)

Das ist mir schon klar, ich hab aber das Gefühl, dass hier einige 
Spezialisten unterwegs sind.

Autor: Guido C. (guidoanalog)
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Andreas Tschepp schrieb:
> ... Genau gesagt geht es um die
> Detektion und Verstärkung eines Lichtsignals von ungefähr 1 nW mit einer
> Zeitdauer von 20 ns bis 0.1 ns.

Kleiner Tipp von mir: Unterschätze die Optik nicht. Schnelle PIN-Dioden 
wie z. B. die S9055-01 von Hamamatsu (3 dB @ 2 GHz) haben nur eine 
kleine aktive Fläche. Bei der S9055-01 besitzt diese Fläche einen 
Durchmesser von (nur) 0,1 mm. Bekommst Du Dein Lichtsignal derart 
gebündelt? Kannst Du den Lichtstrahl entsprechend genau ausrichten?

Mit freundlichen Grüßen
Guido

Autor: Jens (Gast)
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Ich habe im Rahmen meiner Abschlussarbeit mit sowas gespielt. Das 
Problem ist, dass du eigentlich keinen OP findest, der die nötige 
Bandbreite hat.
Die Kapazität der Diode spuckt dir da kräftig in die Suppe!
Ich hatte eine Frequenz von etwa 100MHz und die schnellsten OPs die man 
so kaufen kann waren da schon nicht mehr gut genug. Firmen wie Firecomms 
oder Hamamatsu bieten sowas sonst schon fertig auf einem Chip an.

Gruß

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ich hab da schon einiges gebaut, natuerlich ohne OpAmp. Eine 
Anstiegszeit von 1ns oder weniger ist machbar, aber 1nW ist etwas wenig. 
Zudem muss man sich von der Vorstellung loesen, die Verstaerkung genau 
einstellen zu koennen. Meine Photoamplifier, die ich verklopp, haben 
eine schnelle Diode und gehen dann mehr oder weniger direkt auf einen 
oder mehrere 20dB Mikrowellenverstaerker. Einen Laserreflex muss man da 
schon bringen, irgendwas Sub-Milliwatt.

Autor: Michael O. (mischu)
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Ich nehme mal an, du hast Dich mit der Beschreibung der Leistung vertan, 
oder? Vielleicht eher 1nWs (1nJ). Mit einem nW in 1ns Dauer bist du bei 
einer Energie von 1attoJoule (10^-18Ws).

1nWs bedeuten eine Leistung:
10W   für 0.1ns
1W    für 1ns
0.1W  für 10ns
0.05W für 20ns

Die Empfindlichkeit der ist ungefähr 0,2A/W.
Der Strom bewegt sich damit im Bereich:
I = 0.05W * 0.2A/W = 10mA
Imax = 10W * 0.2A/W   = 2A

Möglicherweise eignen sich die THS320x von TI dafür mit ihren 1,8 - 2GHz 
Bandbreite. Eigentlich Current-Feeback Typen mit Spannungseingang kann 
man die Photodiode in den negativen Rückkoppelpfad einsetzen.

Ich würde dringend eine Simulation mit LTSpice (o.ä.) und den 
parasitären Bauteilen empfehlen. Absolut kritisch wird die Kapazität der 
Photodiode sein - vermutlich musst Du die Schwellenspannung sehr hoch 
legen (400fF @ 20V).

In einer Laserapplikation nutze ich eine 100MHz Photodiode von Hamamatsu 
zum Detektieren eines Pulses. Laserpuls < 7ns, Energie allerdings 
deutlich höher als bei Dir. Dort komme ich mit einem FET völlig aus.

Autor: Matze (Gast)
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Uch bin auch auf der Suche na einem TIA, allerdings mit "nur" 650Mbps. 
Den Einzigsten den ich gefunden habe ist der Max3665. Alle anderen sind 
nur als DIE verfügbar. Auch der Max3665 ist schwer zu bekommen. Wenn ihr 
einen Tipp für mich habt wäre ich dankbar.

Silicon Sensors produziert die AD500-1.3G-TO5. Das ist eine APD+Tia im 
TO5 Gehäuse. Sie hat 280ps. Als Avalanche Diode benötigt sie aber 150V 
Vorspannung.

Autor: Guido (Gast)
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@Matze
Hast Du Dir den MAX3266 oder den MAX3658 bereits angeschaut?

Mit freundlichen Grüßen
Guido

Autor: Matze (Gast)
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klingen beide nicht schlecht. Die werde ich mir mal genauer anschauen. 
Leider ist der  Max3266 Not Recommended for New Designs.
Kennst du einen Anbieter, der trotzdem gerine Stückzahlen(~10) davon 
verkauft? Die Typischen Anbieter (RS, Farnell, Spoerle) haben die nicht. 
Ich hab auch schon versucht den Max3665 mit ein paar anderen Bauteilen 
als Sample zu bestellen. Eine Woche Später kam das Päckchen mit allen 
Samples außer dem Max3665. Auf dem Lieferschein ist auch nicht vermerkt 
warum die den nicht geliefert haben.

Autor: Sepp Obermair (Gast)
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Schau dich mal bei Hittite um,
de haben da 2 3 Bausteine im Angebot.

TIA und noch aderes geeignetes.

Teils im DIE teil on chip

Autor: Guido (Gast)
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@Matze
kannst Du 8 TDFN löten? Wenn ja "sample" doch den "MAX3658AETA+". Den 
gibt es wohl noch.

Mit freundlichen Grüßen
Guido

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Zur Leistungangabe. Wenn man von Leistung redet, so ist das 
ueblicherweise die mittlere Leistung. Ein Puls von 1ns muss nicht 
alleinstehend sein. Kann sich zB alle 10ns wiederholen, oder alle 2ns. 
Auf alle faelle generieren die paar Photonen proportional ein paar 
Elektronen. Diese paar Elektronen kann man versuchen zu verstaerken 
sofern sie nicht im Rauschen verschwinden. Das Rauschen schlaegt wegen 
der Bandbreite gnadenlos zu. Eine gute Abhandlung kann man sich hier 
(http://www.electrooptical.net/ ) herunterladen. Siehe 
http://www.electrooptical.net/www/frontends/frontends.pdf

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> bei meiner Recherche zum Thema High Speed Transimpedanzverstärker, bin
> ich mehrmals über dieses Forum gestolpert. Genau gesagt geht es um die
> Detektion und Verstärkung eines Lichtsignals von ungefähr 1 nW mit einer
> Zeitdauer von 20 ns bis 0.1 ns.
E = 0,1nW * 0.1ns = 1E-20J

Ein Photon hat bei 500nm:
E = hf = h*c/lambda = 6.62E-34 * 3E8/500E-9 = 3,9E-19 J.

Du willst also größenordnungsmäßig 1/2 - 10 Photonen detektieren. Das 
ist sehr sportlich. Evtl. kommst Du mit Avalanche-Photodioden weiter.
Ohne sehr starke Bandbegrenzung wird es hier aufgrund des Rauschens aber 
sehr schwer.


Gruß,
  Michael

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