Hallo zusammen,
Ich möchte mit einer Photodiode einen steilen Laerimpuls messen können.
Die Anstiegszeit des Laserimpulses liegt bei etwa 5ns.
Macht man das so wie in der Schaltung?
Die "hohe" Spannung liegt an der Diode an, um die Kapazität zu
verringern.
Aber kann man den Dioden Strom über die 10kOhm messen?
Oder wäre ein kleinerer Wert geeigneter?
Gruß Lasar
Aber dann würde ich ja eine geringere Spannung als bei 10k messen. U ist
doch gleich R * I.
Kann aber auch sein das ich mir da gerade einen Bock schieße.
"+24V" dranschreiben reicht auch nicht, sondern die Spannung muß direkt
an der PD HF-mäßig an Masse gelegt werden.
Am besten mittels einer Parallelschaltung von z.B. 100pF und 10nF.
Unbedingt auch auf einen induktionsarmen Aufbau, d.h. in erster Linie
kurze und nicht zu dünne Leitungen, achten!
Wenn man viel Bandbreite haben will nimmt man als I/U-Wandler keinen
Widerstand, sondern einen Transimpedanzverstärker. Dann ist die
Photodiode praktisch kurzgeschlossen und ihre Kapazität ist nicht
wirksam.
> Aber dann würde ich ja eine geringere Spannung als bei 10k messen.
Das ist richtig, dann muss dein Verstärker das eben ausgleichen.
Vor allem musst du an die Zeitkonstante aus Diodenkapazität und
Lastwiderstand denken.
Wenn du einen so hohen Lastwiderstand verwendest, bekommst du zwar beim
Eintreffen des Lichtimpulses eine schnelle und hohe Anstiegsflanke, aber
danach schleicht sich die Spannung mit einem langen Schwanz aus.
Die Impulslänge oder schnell aufeinander folgende Impulse kannst du so
nicht auswerten, sondern du integrierst die Impulsenergie eher.
Danke für die Antworten.
foo schrieb:> "+24V" dranschreiben reicht auch nicht, sondern die Spannung muß direkt> an der PD HF-mäßig an Masse gelegt werden.
Also müssen die 24V über Kondensatoren an Masse gekoppelt werden.
Also einfach einen C von 24V an die Masse der SMA Buchse? Weshalb
Lukas K. schrieb:> Wenn man viel Bandbreite haben will nimmt man als I/U-Wandler keinen> Widerstand, sondern einen Transimpedanzverstärker.
Gibt es denn überhaupt so schnelle Op Amps für einen
Transimpedanzverstärker?
Der Op Amp müsste ja mindestens eine Bandbreite von 200Mhz haben.
soso schrieb:> Und vor allem nimmt man keine Solarzelle wie die BPW34, sondern eine> Diode mit kleiner Fläche!
Große Fläche = kleine Kapazität
>Ich möchte mit einer Photodiode einen steilen Laerimpuls messen können.>Die Anstiegszeit des Laserimpulses liegt bei etwa 5ns.
Ich vermute dass "Laer" in Wirklichkeit Laser heissen soll, aber gerade
dann ist das nicht gerade das was man als steilen Impuls bezeichnet.
>Große Fläche = kleine Kapazität
Das wäre allerdings etwas Neues.
Ja so allgemein stimmt das mit der Fläche nicht. jedenfalls habe ich ein
paar Datenblätter von Photodioden durchflogen und dabei ist aufgefallen
das Dioden mit größerer Fläche eine kleinere Kapazität haben.
>Gibt es denn überhaupt so schnelle Op Amps für einen>Transimpedanzverstärker?
Vor allen gibt es ferige TIA zu kaufen.
>Der Op Amp müsste ja mindestens eine Bandbreite von 200Mhz haben.
Das stimmt so auch nicht.
Eine Anstiegszeit von 5ns entspricht einer 3dB Grenzfrequenz von
ungefähr 60MHz.
Allerdings addieren sich die Anstiegszeiten geometrisch, d.h. wenn du
einen Detektor mit 5ns mit einem Verstärker hintereinandrschaltest, der
ebenfalls 5ns hat, landest du bei 7ns.
Ein 200MHz Verstärker kann deshalb die Situation nur marginal
verbessern.
Ich wuerd als Verstaerker einen MAR6 oder aehnlich von Minicircuits
verwenden. In der Zuoberst gezeigen Schaltung. Und 1..10nF sind auch
genung.
Allenfalls was schnelleres wie eine BPW34. Eine mit nur noch 1mm^2 oder
weniger.
doofer Frager schrieb:> ... was schnelleres wie ...http://www.wie-als.de/foo schrieb:> Allerdings addieren sich die Anstiegszeiten geometrisch, d.h. wenn du> einen Detektor mit 5ns mit einem Verstärker hintereinandrschaltest, der> ebenfalls 5ns hat, landest du bei 7ns.
Dazu kommt ggf. bei größerem Signal noch die Begrenzung durch die
Slew-Rate.
Kommt drauf an WAS du an dem Impuls messen willst!
Wenn du eh die Anstiegszeit schon kennst, wirst du vermutlich nur an der
empfangenen Energie interessiert sein. Dann nutze doch die innere
Bandbreite der Fotodiode aus. Der interne Kondensator wird aufgeladen
und du mißt dann außen nur noch relativ hochohmig die sich ergebende
(Differenz-)Spannung.
Die BPW34 ist ne PIN-Diode. Die große Fläche ist nur nachteilig, wenn
der Laserpunkt deutlich kleiner als deren Fläche ist. Schnell genug ist
sie auf jeden Fall.
Willst du dagegen die Kurvenform des Laserimpuls genauer erforschen, muß
die Schaltung entsprechend niederohmig sein. Die Zeitkonstante ergibt
sich einfach aus der inneren Kapazität der Fotodiode (+parasitäre
Kapazitäten, eventuell multipliziert wegen Millereffekt) mal dem
Eingangswiderstand des Verstärkers.
Ok, ich denke dann werde ich mit den 50Ohm Eingangswiderstand des
Verstärkers arbeiten. Ich möchte die Diode mit einem RG58 Kabel (etwa
20cm)
an den Verstärker verbinden. Muss ich einen Terminierungs Widerstand an
der Diode habe? Oder nur einen am Verstärker?
Der 50 Ohm Widerstand in der Schaltung sorgt in erster Näherung schon
für die Terminierung, die Diode sollte im relevanten Bereich relativ
hochohmig sein. Die 50 Ohm als Lastwiderstand wählt man deshalb nicht
umsonst, sondern wegen der Leitungsimpedanz.
Gerade wenn es so schnell ist, nimmt man keinen Transimpedanzverstärker
mehr. Die Schaltung mit den 50 Ohm ist ja auch nicht so kompliziert.
Die Geschwindigkteit der Diode hängt auch noch von der Wellenlänge ab -
im IR Bereich (> ca. 900 nm) sind Si-Fotodioden wohl zu langsam.
@ Ulrich H. (lurchi)
>Gerade wenn es so schnell ist, nimmt man keinen Transimpedanzverstärker>mehr.
Jaja, der Fachmann spricht. Sag das mal all den Leuten, die GHz schnelle
TIAs für LWL-Übertragungen bauen. Die sind bestimmt auf deine Tipps
gespannt!
Spezialliteratur zum Thema: ISBN 9780070242470
"Photodiode Amplifiers: OP AMP Solutions"
... is without question the photodiode "bible"... und von Bob Pease
empfohlen.
Bei 30 cm könnte man ggf. den Widerstand an der Photodiode noch
weglassen, wenn man keine so hohe Zeitliche Auflösung braucht, und dafür
mehr Empfindlichkeit. Wenn man genügend Leistung hat, wäre es besser mit
R7.
Die Terminierung am Verstärker (R6) sollte an das andere Ende der
Mikrostrip-Leitung. Je nachdem wie die Schaltung danach weiter geht
müsste der Widerstand auch etwas größer sein oder gar ganz entfallen
(dann darf R7 aber natürlich nicht mehr entfallen). R6 parallel mit der
Eingangsimpedanz des Verstärkers sollten halt 50 Ohm geben.
In die Leitung zu den 50 V (könnte ggf. auch etwas weniger sein) sollte
auch noch ein Widerstand im kOhm Bereich - um da über die Leitung keine
Störungen mehr einfachen zu können.
Vielen Dank für den Literaturhinweiß und vielen Dank an Ulrich.
Im Anhang habe ich mal den ganzen Hf Verstärker eingefügt.
Die Diodenvorspannung von 30V sollte laut Datenblatt für eine Dioden
Kapazität von etwa 8pF sorgen.Ich möchte die Diodenvorspannung direkt an
der Diode einspeißen und ein Koax Kabel dann zum Verstärker führen.
Kann ich die Masse der Diodenvorspannung einfach mit der Masse des
Verstärkers verbinden?
Widerstand an der Vorspannung ist nun auch vorhanden.
Also in dem Artikel steht sogar eine Beispielrechnung:
mit 5ns Anstiegszeit darf die Leitung maximal 17,5cm betragen ohne
terminiert werden zu müssen. Ich hoffe ich werde später schnellere
Anstiegszeiten messen, also von daher muss terminiert werden.
Ich dachte man kann entweder in Serie terminieren oder Parallel.
@ Lasar (Gast)
>mit 5ns Anstiegszeit darf die Leitung maximal 17,5cm betragen ohne>terminiert werden zu müssen.
Das ist auch so, wenn gleich das eine Näherung für Digitalsignale ist,
die ein wenig Störungen vertragen.
> Ich hoffe ich werde später schnellere>Anstiegszeiten messen, also von daher muss terminiert werden.
Mit Hoffnung kommst du vielleicht ins Paradies, wirst aber sicher keine
kurzen Anstiegszeiten messen werden.
Warum 30cm Koaxkabel zwischen Photodiode und Verstärker? Das vermeidet
man um fast jeden Preis! Mit SMD kann man den Verstärker klein und
kompakt aufbauen und DIREKT an der Photodiode platzieren. Die hat dann
vielleicht 30mm Anschlußdrähte anstatt 300mm Koaxkabel!
>Ich dachte man kann entweder in Serie terminieren oder Parallel.
Oder beides, aber das kostet satte 6dB Pegel (Spannungsteiler). MAcht
man nur in wenigen Fällen.
Deine Schaltung ist einfach aus einer Grundschaltung zusammenkopiert.
Sie ist nicht sonderlich gut, ich bezweifle, dass sie sauber die 5ns
Anstiegszeit schafft. Mein Rat. Nimm einen schnellen OPV mit vielleicht
200-500 MHz Bandbreite und bau damit einen TIA. Es hat schon seinen
Grund, warum der erfunden wurde. Es mag Profis geben, die diskret mit
schnellen Transistoren bessere Verstärker als OPV als TIA bauen können,
zu denen zählt aber keiner von uns ;-)
Mit deiner Solarzelle aka BPW34 wirst du aber keine 5ns Anstiegszeit
messen können, die Diode allein hat schon ~20ns Anstiegszeit an 50 Ohm.
Selbst mit einbem sehr schnellen TIA wird man da nicht so viel
rausholen. Nimm eine andere Photodiode.
Wenn man 5ns MESSEN will, braucht man eine Messkette, die in SUMME
vielleicht 3ns oder weniger Anstiegszeit hat. Das sind dann schon mal
100MHz Bandbreite. Machbar, aber nicht einfach mal so.
@ Lasar (Gast)
>Habe aber auch den OPA847 von Ti geordert und werde damit mal einen TIA>aufbauen.
Na dann viel Spass mit dem 3.9 GHz Monster! Das würde ich für den Anfang
lassen. So ein Biest muss man HF-technisch erstmal beherrschen. Ich
glaub nicht, dass du die dazu nötige Erfahrung hast. Nimm was
"langsameres" wie vorgeschlagen.
Einen TIA "braucht" man eventuell, wenn man ein Signal mit sehr wenig
Amplitude hat. Der Vorteil mit TIA ist vor allem die etwas größere
Empfindlichkeit - vom Aufbau ist der klassische Widerstand und dann eine
Spannungsverstärker dahinter deutlich einfacher, und lässt sich auch
noch einigermaßen testen - der TIA eigentlich nur zusammen mit dem
Detektor.
Ein schneller TIA ist auch alles andere als einfach. Der OP sollte in
der Regel schon deutlich (d.h. 10- 100 x ) schneller sein als nachher
die Bandbreite die man vom TIA erwarten kann. Auch die Abstimmung des
Kondensators in der Rückkopplung (oft so im Bereich 0.1 - 10pF ) ist
nicht einfach.
Mit einem Laser als Quelle hat man vermutlich auch genügend Intensität,
so dass man mit der passiven Schaltung mit Lastwiderstand auskommt. Je
nachdem womit man das Signal messen will, braucht man ggf. auch keine
extra Verstärkung, sondern könnte direkt an den 50 Ohm Eingang eines
genügend schnellen Oszilloskops.
Wenn man mal von 1 mW Laser-leistung ausgeht, bekommt man von der
Fotodiode etwa 100-500 µA an Strom oder 2,5-12,5 mV an Spannung an 25
Ohm (50 Ohm Widerstand + 50 Ohm vom Kabel/Oszilloskop).
Solange man die von der Impedanz (50 Ohm) angepasste Schaltung wählt,
stört die etwas längere Leitung am Ausgang auch nicht so sehr, das Kabel
halt halt die 50 Ohm Impedanz und wirkt nicht mehr als störende
Kapazität. Man könnte sogar auf die Idee kommen absichtlich ein langes
Kabel (z.B. 5 m) zu nehmen, so dass man die ggf. auftretenden
Reflexionen schon rein Zeitlich auseinander halten kann. Mehr Kabel
bringt halt nur etwas Dämpfung - so viel ist das aber bei gutem Kabel
nicht.
Es stimmt schon, dass man normal versucht den Verstärker direkt an der
Fotodiode zu haben, weil man so frei ist bei der Wahl der Impedanz und
der TIA eine möglichst kleine Kapazität sehen will, um schnell zu
werden. Auch die Spannungsverstärkung direkt an der Fotodiode würde
etwas mehr Signal liefern, aber halt auch nur 6 dB und in Grenzen die
freie Wahl der Impedanz des Verstärkers.
Welche Wellenlänge (und Leistung) hat denn der Laser ? Auch davon hängt
die passende Fotodiode ab.
Für die Verstärkung von 50 Ohm oder ähnlichen Signalen gibt es fertige
ICs. Das ist vermutlich einfacher (und besser vorhersehbar) als der
diskrete Aufbau mit Transistoren. Je nach Oszilloskop (vor allem wenn es
ein schnelles mit fest 50 Ohm Eingang ist) ist es aber schon nicht
einfach da besser zu werden.
Um auf einen genügend schnellen TIA zu kommen, braucht man schon fast so
einen schnellen OP. Immerhin ist in Datenblatt zum OPA847 sogar ein
Beispielschaltung drin - die kommt auf 87 MHz Bandbreite für den TIA,
allerdings bei recht viel Gain (ginge schneller mit weniger Gain), aber
auch sehr kleiner Detektorkapazität.
Der Wert der Detektorkapazität zeigt auch etwa wonach man bei der
Fotodiode suchen muss.
@Ulrich H. (lurchi)
Selten so einen Quark gelesen.
>Einen TIA "braucht" man eventuell, wenn man ein Signal mit sehr wenig>Amplitude hat.
Nicht nur das. auch wenn es um mehr Bandbreite und günstigeres Rauschen
geht!
> Der Vorteil mit TIA ist vor allem die etwas größere>Empfindlichkeit
Nein, es ist mehr, siehe oben!
> - vom Aufbau ist der klassische Widerstand und dann eine>Spannungsverstärker dahinter deutlich einfacher,
Und schlechter!
> und lässt sich auch>noch einigermaßen testen - der TIA eigentlich nur zusammen mit dem>Detektor.
Wo ist das Problem?
>Ein schneller TIA ist auch alles andere als einfach. Der OP sollte in>der Regel schon deutlich (d.h. 10- 100 x ) schneller sein als nachher>die Bandbreite die man vom TIA erwarten kann.
Vollkommener Blödsinn! Dann müsste ein 1 GHz TIA 100GHz Bandbreite ohne
Detektor haben. Hat er eher nicht.
> Auch die Abstimmung des>Kondensators in der Rückkopplung (oft so im Bereich 0.1 - 10pF ) ist>nicht einfach.
Ja und? Wer sagt, dass ein schneller TIA auf Arduino-Niveau liegt?
>Mit einem Laser als Quelle hat man vermutlich auch genügend Intensität,>so dass man mit der passiven Schaltung mit Lastwiderstand auskommt.
Das allein reicht nicht! Denn man muss ein ordentliches Stück Leitung
bis zum Messgerät (Oszi, whatever) treiben, und genau DAFÜR nimmt man
einen Verstärker.
> Je>nachdem womit man das Signal messen will, braucht man ggf. auch keine>extra Verstärkung, sondern könnte direkt an den 50 Ohm Eingang eines>genügend schnellen Oszilloskops.
Nicht jeder will eine Atomexplosion messen.
>Wenn man mal von 1 mW Laser-leistung ausgeht, bekommt man von der>Fotodiode etwa 100-500 µA an Strom oder 2,5-12,5 mV an Spannung an 25>Ohm (50 Ohm Widerstand + 50 Ohm vom Kabel/Oszilloskop).
Nicht so doll.
@Lasar zur Schaltung im Beitrag #3822018:
Aus meiner eigenen Erfahrung heraus würde ich eher einen integrierten
Verstärker verwenden, bin aber natürlich neugierig, was mit diskreten
Bauteilen so möglich ist. Daher die Frage:
Hast Du die Dimensionierung und Arbeitspunkteinstellung der
Transistorstufe mal ausprobiert bzw. simuliert? Passen die Ruhe-Ströme
in den Widerständen R2 und R3 (2,2Ohm?) zur DC-Versorgung über R1?
Grüße,
Marcus
@ Lasar (Gast)
>Ich habe die Schaltung mit LTSpice simuliert und dort>hat sie gute Dienste erzielt.
Früher (tm) wurden Dienste geleistet und Ergebnisse erzielt. Naja.
>Ausprobieren werde ich sie morgen.
Tu das. Denn Psice ist geduldig, da kann ich auch ein AKW simulieren und
alles läuft prima.
Es ist immer noch offen, was das für ein Laser ist (Wellenlänge und
Leistung). Danach richtet sich der passende Sensor und die Schaltung:
Beim mehr als etwa 850 nm wird es mit einer Si-Fotodiode schwer, einfach
weil die meisten da zu langsam werden.
Bei mehr als etwa 1-5 mW (und Wellenlänge unter 850 nm) reicht ggf. die
passive Schaltung mit einer Si-Fotodiode (nur eher nicht die große
BPW34).
Ob man eine extra Verstärkung braucht, hängt vom Messgerät
(Oszilloskop?) und der Leistung ab - ab spätestens 10 mW sollte es ohne
gehen.
Bei weniger als etwa 0,1 mW sollte man ernsthaft über einen
Fotomultipier oder eine Lawinendiode nachdenken.
Alternativ ggf. noch ein fertiges Empfängermodul mit Detektor und
Verstärker. Einen Eigenbau-Verstärker (TIA oder realistischer ein
Transistor in Basisschaltung) direkt an der Photodiode ist schwierig,
und vor allem nicht so einfach zu charakterisieren.
Falk Brunner schrieb:> Tu das. Denn Psice ist geduldig, da kann ich auch ein AKW simulieren und> alles läuft prima.
Früher wurde Psice noch PSpice geschrieben aber naja...
Mit einem rotem 5 mW Laser bekommt man an der Photodiode irgendetwas um
3 mA an Strom und an 25 Ohm damit 75 mV an Spannung. Das sollte für die
meisten Oszilloskope schon ausreichen. Die Chancen stehen also gut, das
man auch ohne eigenen Verstärker auskommt.
Bleibt noch die Suche nach einer besseren (kleineren) Photodiode.
Der Laser soll aber später nicht direkt auf den Sensor strahlen,
sondern über eine Wand auf den Sensor. Mir ist auch klar das man eine
passende Optik dafür braucht, aber das soll später kommen.
@ Lasar (Gast)
>Der Laser soll aber später nicht direkt auf den Sensor strahlen,>sondern über eine Wand auf den Sensor.
Womit "etwas" weniger als 5mW übrig beleiben, vielleicht 5µW.
>Der Laser soll aber später nicht direkt auf den Sensor strahlen,>sondern über eine Wand auf den Sensor.
Ich seh's... ein gepulster roter 5mW Laser soll als Abstandsmesser
herhalten. Flupp in die Tonne. Da war ich auch schon. Nach dem Pulsen
kommt noch 5uW raus. Von der diffus reflektierenden Wand kommen dann
noch 5pW zurueck.
Da geht das grosse Staunen dann los, weshalb die diffus reflektierende
Wand nur bei 1cm Abstand genuegend Signal bringt um so gross wie das
Rauschen zu sein...
Hallo,
Nach einiger Zeit habe ich die Schaltung mal aufgebaut.
Auf dem einen Bild ist der Hf Amp mit der "Solarzelle" alias BPW34,
die auf einem SMA Stecker aufgelötet ist(Mit 50Ohm Widerstand und
Entkopplungskondensator), zu sehen.
Ich habe den Laser über einen Spiegel auf die Photodiode reflektieren
lassen. Einmal beträgt der Lichtlaufweg 30cm und einmal etwa 3m.
CH1 ist der Laserimpuls. CH2 die Photodiode.
Das Koaxkabel vom Laser zum Oszi ist wohlgemerkt etwas länger als das
Koax Kabel von der Photodiode. Das lässt sich relativ gut auf dem 30cm
Bild erkennen.
Der Pulslaser lässt sich auf jden Fall noch verbessern.
Der schwingt nämlich wie Hupe :)
Vielleicht dem Verstärker erstmal einen Abblockkondensator verpassen?
Wozu soll in der Zuleitung eine Spule mit einer Resonanzfrequenz von
vielleicht 5MHz ALLEIN drin sein? Versteh ich nicht.
Abblockkondensatoren sind doch 3 Stück auf der Platine.
Schau mal in den Schaltplan weiter oben. Die Spule verhindert eine
Rückkopplung der HF Frequenzen auf die Versorgungsspannung.
Ein Problem ist die Drossel - die 100 µH werden eine zu niedrige
Eigenresonanz haben und damit kaum noch wirken. Ein 2. Problem dürfte
sein, das die Terminierung zum Ausgang fehlt. Damit wird das Signal
empfindlich auf die Güte der Terminierung auf der anderen Seite.
Trotzdem sieht das Signal von der Diode ja noch überraschend gut aus.
Wie verhält sich denn der reine Verstärker ?
Das größere Problem ist ja das Signal vom Laser
BPW34.png
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