Guten Tag
Ich stehe vor folgender Aufgabe:
Ich soll mit Hilfe einer Photodiode die Intensität eines Laserstrahls,
der bei 193nm emittiert, messen.
Als Photodiode habe ich bereits folgende gefunden, die hierfür geeignet
sein sollte:
http://www.osioptoelectronics.com/Libraries/Datasheets/UV-Enhanced-Inversion-Layer-Photodiodes.sflb.ashx
Ich versuche zuerst einmal den Aufbau zu erklären, damit man eventuelle
Denkfehler von vornerein erkennen kann:
Das ganze wird mit einer Transimpedanzverstärker-Schaltung realisiert,
die zuerst den Fotostrom der Diode in eine proportionale
Ausgangsspannung am OPV wandelt, welche dann z.B. an einem Widerstand
gemessen werden kann.
Die Photodiode wird in Sperrrichtung betrieben und an den invertierenden
Eingang des OPV geschaltet.
Desweiteren wird ein Tiefpass (RC-Glied) als Rückkopplungsglied
eingesetzt um Schwingungen zu filtern und um die Verstärkung des OPV zu
regeln.
Mein Problem besteht darin, dass ich nicht weiss, wie ich das ganze
Dimensionieren soll, welcher OPV dafür überhaupt in frage kommt und
WARUM ein solcher OPV in frage kommt.
Der Fotostrom der Diode wird sich in der Größenordnung von maximal 17mA
befinden, also brauche ich einen Verstärkungsfaktor von V=1000 um in
eine angenehme Größenordnung zu kommen?
Aber was ist mit den vielen anderen Eigenschaften, wie Offset-Spannung,
Bandbreite, Anstiegsraten - unter welchen Gesichtspunkten berücksichtige
ich diese ?
Und welche Größenordnung braucht mein Widerstand und meine Kapazität?
Zum Widerstand:
Bei der Transimpedanzwandlerschaltung heisst es ja:
Verhältnis Ausgangsspannung zu Eingangsstrom --> Transimpedanz (also
"Verstärkung")
sprich:
Z=Ua/Ie
Knotenregel:
Ua=-R*I
also: Z = -R
ich wähle also einen Widerstand von 100ohm um eine
Verstärkung/Umwandlung des Fotostroms in eine Ausgangsspannung von ca.
1,7V zu bekommen?
Und wie sieht es mit der Kapazität aus ?
Mir wäre sehr geholfen wenn jemand mir ein wenig auf die Sprünge helfen
könnte
MfG Philipp
Philipp schrieb:> ich wähle also einen Widerstand von 100ohm um eine> Verstärkung/Umwandlung des Fotostroms in eine Ausgangsspannung von ca.> 1,7V zu bekommen?
Welchen Strom erwartest du, den die Diode erzeugt? 17 mA bei 193 nm?
(ist IMO viel für eine Photodiode)
Hmmm
Kann gut angehen, dass ich da einen Fehler in der Berechnung habe
Also das Strahlprofil des Lasers umfasst insgesamt eine Fläche von
14x6mm², er besitzt eine maximale Energie von 2,5Watt
und die aktive Fläche der Diode beträgt 5,8 x 5,8 mm² = 34mm²
Die Ansprechempfindlichkeit der Diode beträgt bei einer Wellenlänge von
193nm 0,1A/W
Jetzt stelle ich doch quasi die Flächen gegenüber und berechne wieviel
von den 2,5Watt des Lasers auf der Fläche der Diode überhaupt ankommen:
also:
2,5W/84mm² = x/34mm² --> x = 1,001Watt
--> 0,1A/W * 1,001Watt = 0,1001Ampere ? das klingt irgendwie noch
verkehrter.
hmpf :x
Wenn die Diode wirklich 17mA rausbrutzelt, kannst du den Strom auch
direkt durch einen Widerstand jagen, und die Spannung dort mit einer
normalen OPV Verstärkerschaltung verstärken.
Wenn du dich mit der Dimensionierung garnicht auskennst, gibt es auf der
analog Homepage einen guten Rechner, der dir neben Bauteilgrößen auch
OPVs vorschlägt, wobei man bei diesen Werten mit jedem Wald und Wiesen
OPV eine anständige Messung hinbekommen sollte.
Der Kondensator in der Rückkopplung ist übrigens kein Tiefpass in dem
Sinne, sondern der beeinflusst die Rückkopplung, damit nichts schwingt.
In dem Analog Rechner sieht man das auch ganz schön in einem Diagramm.
>Ich soll mit Hilfe einer Photodiode die Intensität eines Laserstrahls,>der bei 193nm emittiert, messen.
Hmm.
>Als Photodiode habe ich bereits folgende gefunden, die hierfür geeignet>sein sollte:>http://www.osioptoelectronics.com/Libraries/Datash...>Die Photodiode wird in Sperrrichtung betrieben und an den invertierenden>Eingang des OPV geschaltet.>Desweiteren wird ein Tiefpass (RC-Glied) als Rückkopplungsglied>eingesetzt um Schwingungen zu filtern
Nö, um den Frequenzgang des Gesamtaufbaus stabil zu machen.
> und um die Verstärkung des OPV zu>regeln.
Nö.
>Mein Problem besteht darin, dass ich nicht weiss, wie ich das ganze>Dimensionieren soll, welcher OPV dafür überhaupt in frage kommt und>WARUM ein solcher OPV in frage kommt.
Dazu müsste man mal ein paar Zielgrößen kennen. Siehe Netiquette>Der Fotostrom der Diode wird sich in der Größenordnung von maximal 17mA
17mA? Das ist ja Starkstrom!
>befinden, also brauche ich einen Verstärkungsfaktor von V=1000 um in>eine angenehme Größenordnung zu kommen?
Wenn ich Strom in Spannung wandle, kann der Faktor nicht einheitenlos
sein. Sonder es MUSS ein Widerstand sein. Mit 1k kätte man 17V, das ist
verdammt viel. Wie willst du die Spannung messen? mit einem Multimeter?
Mit einem uC und AD-Wandler?
>Aber was ist mit den vielen anderen Eigenschaften, wie Offset-Spannung,>Bandbreite, Anstiegsraten - unter welchen Gesichtspunkten berücksichtige>ich diese ?
Erstmal muss man festlegen, wie schnell man messen will/muss? Für
quasistatische Messungen bei einem dermaßen riesigen Strom braucht man
keinen Transimpedanzverstärker, da reicht ein einfaches Multimeter. Man
misst einfach im Strommessbereich den Kurzschlußstrom.
>Verstärkung/Umwandlung des Fotostroms in eine Ausgangsspannung von ca.>1,7V zu bekommen?
Ja.
>Und wie sieht es mit der Kapazität aus ?
Kann man rechnen oder empirisch ermittlen. Siehe
https://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsensor_/_Helligkeitssensor#Photodiode
1W bei 173nm .. eine richtige Ozonschleuder. Und bei dieser Wellenlaenge
geht alles kaputt. Wenn nicht durch das Ozon, dann durch das Licht. Also
irgendwelche Plastikgehauese machen's nicht lange. Normalerweise koppelt
man nur einen kleinen Teil des Lichtes aus.
Der OpAmp sollte einen wesentlich kleineren Strom wie der Diodenstrom
als bias haben. Ich wuerd in der Regel einen Fet OpAmp verwenden. Einen
RRIO.
Eine vernuenftige Groessenordnung des Ausgangssignales waere zB 2V
Die Leistung eines Lasers misst man aber eher thermisch. Also einen
Absorber in einem schwarzen Loch hinstellen, und die Aufheizrate messen.
Da solltest du gleich mal beim Hersteller anfragen wie große die
maximale Verlustleistung sein darf. 1W hält die Diode nicht aus. Selbst
100mW ist schon viel, denn du willst ja eventuell ein genaues Messgerät
bauen.
P = Lichtleistung +I*U
Also sei vorsichtig mit deiner Vorspannung, denn auch die bewirkt
zusätzliche Verlustleistung.
Bei der Laserleistung darf nur ein kleiner Teil des Lichtes ausgekoppelt
werden und zur Fotodiode gelangen.
Sonst wäre das so, als wollte ich mit einer Küchenwaage das Gewicht
eines Flugzeugträgers messen.
Derartige Leistungen ( und auch schon viel kleinere ) misst man da schon
lieber mit einem thermischen Lasermesskopf.
Da erwärmt der Laser mit seiner direkten Leistung einen
temperaturempfindlichen Widerstand. Es gibt sogar sehr präzise
Selbstbauprojekte für sowas.
Dort wird ein mit Ruß geschwärztes Peltierelement "rückwärts" zur
Temperaturmessung verwendet. ( http://www.bis0uhr.de/ ).
Oh Gott >.<
erstmal vielen Dank für die ganzen Antworten, das hat mich schon alles
weiter gebracht
Ich idiot hab vergessen zu sagen, dass das Licht vorher noch von einem
Spiegel mit sehr hohem Reflexionsvermögen reflektiert wird. Ich bin
grade schon dabei herauszufinden wie hoch die Reflektivität ist, aber
das dürfte so knapp unter 100% liegen. 99,9...
Sorry nochmal, das war natürlich eine wichtige Information die ich
vergessen habe.
Im großen und ganzen wird der Fotostrom irgendwo im nA-Bereich liegen
denke ich. Wenn ich genau weiss wie hoch der Fotostrom ist melde ich
mich wieder.
Bei der ganzen Geschichte geht es darum, dass ich einen Laserstrahl
genau in der mitte einer optischen Achse positionieren möchte (ich
weiss, vierquadrantendiode wäre dafür am angebrachtestens, aber wir sind
auf der suche nach einer günstigeren Lösung).
Dabei wird zunächst der Maximalwert ermittelt (--> also wenn der
Laserstrahl genau mittig trifft) und dieser wird als Referenzwert für
zukünftige Justierungen genommen. Also sobald der maximalwert erreicht
ist, weiss man, dass der Strahl richtig liegt. Das ganze ist noch von
einem Gasdichten, mit Stickstoff gespülten Raum umgeben.
Stefan M. schrieb:> Dort wird ein mit Ruß geschwärztes Peltierelement "rückwärts" zur> Temperaturmessung verwendet. ( http://www.bis0uhr.de/ ).
OT: Sehr schöner Spruch auf der Seite: "Erst wenn der letzte
Programmierer eingesperrt und die letzte Idee patentiert ist, werdet ihr
merken, dass Anwälte nicht programmieren können!"
Wenn Du im nA Bereich misst musst Du einen OP nehmen mit ziemlich
kleinem Leckstrom... und auch der Aufbau wird nicht ohne, evtl. Layout
mit Guard-Rings.
Die Fotodioden selber sind auch rechte Mimosen, das Datenblatt gelesen?
Direktes Sonnenlicht mögen die nicht, keinen mechanischen Schock, die
Anschlussdrähte nur schonend behandeln und nicht biegen, etc.
Ausser ich bin vollkommen aus dem Feld, waere mir nicht bekannt woher
man bei 193nm noch so gute Spiegel haette.
Eine Strahlzentrierung wuerd ich dann mit 4 einzelnen Photodioden
machen.
Für so viel Leistung braucht man eher keine so große Photodiode. Auch
braucht man bei so viel Leistung eher keinen Transimpedanzverstärker,
sondern kann direkt an einen 50 Ohm Widerstand oder Terminiertes Kabel
arbeiten. Für mehr Geschwindigkeit sollte man die Diode vorspannen - da
reicht ggf. auch ein 9 V Block und ein Kondensator zum Abblocken. Die
Schaltung ist einfach, aber trotzdem recht schnell - 193 nm Laser sind
ja oft gepulst. Ein langsamer Transimpedanzverstärker macht da also eher
wenig Sinn.
Die wichtige Frage für die Auslegung eines Verstärkes wäre wie schnell
gemessen werden soll.
>Oh Gott >.<>Ich bin>grade schon dabei herauszufinden wie hoch die Reflektivität ist, aber>das dürfte so knapp unter 100% liegen. 99,9...
In dem Wellenlängenbereich?
In dieser Hinsicht bin ich ungläubig was die: "knapp unter 100%"
betrifft.
> Im großen und ganzen wird der Fotostrom irgendwo im nA-Bereich liegen> denke ich.
Wenn du das also schon weisst und auch bereits vom
Transimpendanzverstaerker gehoert hast, wieso schaffst du es dann nicht
bei Linear, TI oder Analog aufzuschlagen und mal an Applikationen zu
lesen was sie so haben?
Aus aktuellem Anlass kannst du ja ja noch das hier lesen:
http://electronicdesign.com/archive/whats-all-vw-stuff-anyhow
Ach verdammt, falscher link. Das war zu aktuell. Lies lieber das hier:
:-)
http://electronicdesign.com/analog/whats-all-transimpedance-amplifier-stuff-anyhow-part-1
Ein ganz entscheidender Punkt ist im uebrigen noch die von dir
gewuenschte Bandbreite. Ich hab hier gerade z.B etwas laufen das
funktioniert ab 100pA ohne das ich mich da gross angestrengt habe. Man
muss nur langsam genug sein.
Oh..und eh ich es vergesse, das hier ist auch interessant:
http://electronicdesign.com/archive/whats-all-tee-network-stuff-anyhow
Tee-Networks sind zwar boese, ausserdem war Uncle Bob auch nicht dafuer,
aber fuer deine geringen Ansprueche koennten sie dir das Leben einfacher
machen.
Olaf
Für jede Spannung unterhalb des absoluten Maximums Eures Aufbaus gibt es
unendlich viele Positionen des Strahls! --> Nicht geeignet zur
Justierung!
Soll die Diode nun direkt in den Strahl oder nicht?
So ich hab jetzt noch ein wenig nachgeforscht und mich erkundigt. Vielen
Dank für den artikel
"http://electronicdesign.com/analog/whats-all-transimpedance-amplifier-stuff-anyhow-part-1";
der hat mich gut weitergebracht.
Ich komme jetzt auf einen Fotostrom von 128µA
Die Signal-Bandbreite ermittelt sich über die maximale Anstiegszeit
meiner Diode, richtig ? Diese besitzt eine Rise-Time von 1µs also komme
ich auf eine Frequenz von 1Mhz
Die Bandbreite des Verstärkers muss mindestens der maximalen
Signalbandbreite entsprechen also beträgt diese ebenfalls 1Mhz ?
Verstärken möchte ich das Signal auf ca. 1,5V
Z=Ua/I
Ua=-R*I
--> Z=-R
also wähle ich einen Rückkopplungswiderstand von R=10kOhm
Was für Informationen brauche ich noch um meinen OPV zu wählen ?
Ich weiss, dass er einen möglichst geringen Rauschanteil (highvoltage
noise, highcurrent noise) haben sollte
er sollte ebenfalls eine geringe Eingangskapazität besitzen
Die Bandbreite die man haben will hängt vor allem davon ab was man mit
dem Signal machen will. Danach kann man dann den Rest der Schaltung
entwerfen und den Sensor aussuchen, um wenn möglich die gewünschte
Bandbreite zu ereichen.
Eine Fotodiode mit 1 µs Ansteigszeit ist schon sehr lagsam. Die Zeit
hängt auch noch von der Vorspannung und den Randbedingungen ab. Das
sollte schneller gehen, wenn man es braucht. Sonst müsste man ggf. halt
ein schnellere Diode suchen.
Bei einer so großen Diode wird der Sensor die Kapazität bestimmen. Die
eingangskapazität des Verstärkers ist entsprechend nicht so wichtig. Da
wird man sich schwer tun einen zu finden, der mehr Kapazität als der
Sensor hat. Wegen der großen Kapazität ist auch das Spannungsrauschen
relativ wichtig. Bei einem so großen Signal kann es aber auch sein, dass
Rauschen nicht das Problem ist - vor allem nicht bei geringer
Bandbreite.
Amateur schrieb:> In dem Wellenlängenbereich?>> In dieser Hinsicht bin ich ungläubig was die: "knapp unter 100%"> betrifft.
Zumindest 98% scheinen wohl drin zu sein.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433204016964
Aber bei der Leistung möchte man das vielleicht gar nicht.
Und wenn man mit der Diode nicht das Strahlprofil ausmessen möchte,
sondern die Strahlleistung, sollte man einen Diffusor davor schalten,
den sich die PD anguckt.
Auch könnte man nur einen Teil der Stahlung auskoppeln, indem man den
Oberflächenreflex von einer schief im Strahlengang stehenden
Quarzscheibe/-keil verwendet.
