Hilfe bei Auslegung: optimale Photodiode, Lock-In und PGA

[Alex (Gast)]

Hallo zusammen,

vor wenigen Tagen habe ich wunderbare Hilfe bei einigen Fragen zu 
Grundlagen der Lock-In Verstärkung bekommen
(siehe hier: Beitrag "Re: Lock-In / PLL mit Lichtsignal" ).

Nun bin ich mit der Konzeptualisierung und Bauteilauswahl beinahe 
fertig, muss mich aber noch für die optimale Photodiode mit integriertem 
TIA entscheiden.
(Wahrscheinlich) alle Photodioden, die für meine Applikation in Frage 
kommen, habe ich mal herausgesucht und gegenübergestellt (siehe Bild).

Geplant ist: Die Photodiode wird ein sehr schwaches, mit 1-10kHz (noch 
offen) moduliertes NIR-Licht bekommen. Das Signal soll dann weiter 
verstärkt werden und dann in einem Lock-In Demoduliert.

Gewollt ist: Möglichst wenig rauschen, SNR optimierung.

Nun haben nicht alle Photodioden mit TIA die passende Bandbreite (siehe 
Bild), daher fallen einige weg. Nun stellt sich aber folgende Fragen:

1. was ist (bezogen auf das SNR) günstiger:
a) Eine Photodiode mit TIA mit niedrigerer Sensitivität und mittlerem 
Dark-Noise Pegel (z.B. der OPT301 bei 3kHz Lock-In) und dafür danach 
eine größere Verstärkung durch den PGA aber VOR der Lock-In 
Demodulierung (die vermindert ja auch die PGA-Rauscheinflüsse)
b) Eine Photodiode mit TIA mit höherer Sensitivität, dafür aber auch 
hohem Dark-Noise-Pegel (z.B. der ODA-5W-100k), dafür danach niedrigere 
PGA-Verstärkung vor der Lock-In Demodulierung

2. Ein paar Dioden wie der OPT301 kämen nur bei einer Lock-In-Frequenz 
von <4kHz oder weniger in Frage, je niedriger die Frequenz, desto größer 
aber ja der 1/f-Rauscheinfluss des Verstärkers. Wo ist da der Tradeoff?

Rahmendaten:

Bisher nehme ich als
- PGA den AD8253
- Lock-In Amp den AD630
- als NIR-LED Wellenlängen etwas zwischen 730-880nm

Der OPT301 z.B. ist in dem bereich linearer, was auch einen Vorteil für 
die spätere Auswertung darstellt.

- Könnt ihr mir da tips geben? Momentan schwanke ich zwischen 
ODA-5W-100k und OPT301, aber was sagt ihr?
- gerne auch Vorschläge für einen besseren (rauschärmeren) PGA, Gain 
zwischen 1 bis z.B. 128 würde wohl auch gehen (bis 1000 ist wohl nicht 
nötig).

Besten Dank für alle Meinungen!

Alex

[тупой сказател (Gast)]

Naja. Beim Darknoise wuerde ich nicht einfach auf die uVrms abstellen, 
sondern auf die kleine Bandbreite beziehen.

Viel Interessanter ist, was ueberhaupt gemessen werden soll. Falls das 
System keine eigene Dynamik hat, man also mit einer Filterbandbreite von 
1Hz oder kleiner arbeiten kann, geht das Rauschen eh langsam gegen Null.
Wie schon mal gesagt wurde, wenn die Absorption zu hoch ist, ist die 
Messzelle zu lang.

Was spricht denn dagegen, je eine von den in Frage kommenden Dioden zu 
bestellen?

[Alex (Gast)]

тупой сказател schrieb:
> was ueberhaupt gemessen werden soll

Hämodynamische Änderungen, ähnlich wie beim Pulsoximeter mit schwächerem 
Signal! Abtasten werde ich mit ca 3Hz, das sollte für die Signaldynamik 
ausreichen.



тупой сказател schrieb:
> Was spricht denn dagegen, je eine von den in Frage kommenden Dioden zu
> bestellen?

Außer, dass beide um die 70€ pro stück kosten nur noch, dass ich eben 
nicht sicher bin ob ich die folgeelemente auf die diode anpassen muss, 
daher ja meine frage: Eine Diode mit niedrigerem Rauschen aber höherer 
verstärkung dürfte ja geringere anforderungen an die nachverstärkung 
stellen.

[Ah. (Gast)]

Aha. Das System hat eine Dynamik von 3Hz. Das bedeutet wir sollten 
vielleicht 20Hz durchlassen. Also Filterbandbreite auf 20Hz setzen.
Als Hackfrequenz wuerd ich zB 100kHz waehlen.
Eine AC Verstaerkung von 80 dB oder sollte machbar sein.
Dies wuerde man als 2 stufigen Verstaerker am Eingang, jeder macht einen 
Faktor von 20 oder so. Dann einen aktiven Filter, der bei 100kHz mit 
Guete 10 oder etwas weiter entferntes Rauschen wegmacht. Dann nochmals 1 
Stufe mit Faktor 20. Das waeren schon einen Faktor von 8000, etwas mehr 
als 78dB.

Als Diode wuerd ich mit einer billigen BPW34 beginnen. Eine BPW 34 
kostet ein paar cents und hat eine Flaeche von 7.5mm^2.

[Ah. (Gast)]

Eine Sensitivitaet sollte in uA/mW angegeben werden. Die BPW34 macht 
47uA bei 1mW/cm^2, und hat eine rise und fall time von 100ns.

[Alex (Gast)]

Hallo,
danke für deine Inspirationen. Es werden aber wohl aus mehreren Gründen 
Dioden mit integriertem TIA werden (die in Frage kommenden sind ja oben 
in der tabelle dargestellt) - die haben allerdings überwiegend wieder 
eine bandbreite die 100kHz nicht zulässt - abgesehen davon, dass ich das 
Referenzsignal mit dem µC erzeugen will und sämtliche weiteren Bauteile 
die noch im LED-signalweg sind (nicht im schaubild oben) dann umso mehr 
auf hohe Frequenzen abgestimmt sein müssen damit das Referenzsignal noch 
"sauber" rechteckig bleibt.

Es geht also nur noch um die auswahl aus den vorgaben!

Ah. schrieb:
> Eine Sensitivitaet sollte in uA/mW angegeben werden

Bei Photodioden mit integriertem Transimpedanzverstärker (inklusive 
feedback-resistor) bin ich mir da nicht so sicher. Viele solcher 
datenblätter geben sogar nur µV/W an.

[Alex (Gast)]

sorry, V/µW natürlich