Amplificación ruidosa y poca luz: pregunta sobre fotodiodos y amplificadores operacionales

  

Leí acerca de hacer un pseudo suelo para el cátodo del fotodiodo   y configurar uno a 1 V desde el + 5V de la placa de pruebas. Esto no parece   para hacer lo que indica la publicación del foro o tal vez mi ganancia sea tan alta que necesito una   mV o pV pseudo-tierra? No es seguro. También he leído esa elección de Op.   El amplificador es crítico, y no estoy seguro de tener los adecuados para el trabajo   en este momento, ¿podría esto obstaculizar la respuesta lineal y los niveles del suelo?

Las cosas que debe saber sobre la construcción de estos circuitos son:
1) Breadbaords no lo van a cortar, esto agrega automáticamente más de 10pF a su circuito y mucho más inductancia, use la placa perf y suelda los componentes. O utilice envoltura de alambre. 10pF * 1e6Ω = 10Hz, por lo tanto, si utiliza una placa de pruebas, 10pF cortará automáticamente su ancho de banda a 10Hz sin un condensador de ganancia.

2) Necesitará un amplificador con una corriente de polarización de entrada más baja que la de lo que desea medir. Un amplificador operacional con una corriente de polarización de entrada en el rango de fA sería apropiado. Corriente de polarización de entrada significa la corriente que fluye hacia los terminales opamps + y -. Si desea medir pA tenga en cuenta que incluso los materiales resistivos grandes pueden generar pA de corriente, el FR4 (material de PCB) cae a 10e8Ω cuando está húmedo y si coloca 1V en el otro lado de la PCB, obtiene 1pA de fuga (y compensación). Los rastros de guardia pueden ser esenciales.

3) Seleccione un amplificador con una ganancia de bucle abierto más grande y un ancho de banda mayor del que necesita. "Asegúrate de entender que cuando pones capacitancia y ganancia, afectan a ganar producto de ancho de banda

4) Use dos etapas de amplificador para aumentar su señal, si necesita 1e9 de ganancia, aumente la primera con 1e5 y la siguiente con 1e4 (por ejemplo)

Como regla general útil, la corriente de polarización (y desplazamiento) de su amplificador debe ser un orden de magnitud menor que la corriente de operación. Como desea medir 0,3 pA (300 fA), debería estar en el mercado un amplificador operacional con corrientes de entrada de aproximadamente 30 fA. Como puede adivinar, su amplificador actual ni siquiera es adecuado.

A medida que sucede, hay tales amplificadores operacionales alrededor, generalmente se les llama amplificadores operacionales de electrómetro.

Como ejemplo, puede echar un vistazo al ADA4530. Las corrientes de polarización son 20 fA, y el ancho de banda de ganancia es de 2 MHz, por lo que no es mucho más lento que su elección actual. Pero hay otros modelos y otros fabricantes, así que compare.

Y mientras lo hace, también debe comenzar a pensar en cómo va a lidiar con estas corrientes bajas. Te estás acercando al rango donde viven las corrientes de fuga, y al menos necesitas comenzar a pensar en una limpieza escrupulosa. Cosas como las huellas dactilares en el lugar equivocado pueden arruinar tu día. Podrías considerar leer algunos artículos de Bob Pease ("¿Qué es todo esto de Femtoamp, de todas formas?" Y "¿Qué es todo esto de teflón?" Son una buena lectura.)

Y también tendrás que pensar en el control térmico de tu circuito. Con 22 Mohm en el TIA, 3 pA le dará un nominal de 66 uV. Un buen amplificador operacional tendrá desviaciones de la tensión de entrada en el orden de 1 uV / dec C o más, por lo que puede ser un problema. Tenga en cuenta que ADA4530 tiene una desviación en el peor de los casos de 2.8 uV / degC, que es aproximadamente el 4% de su lectura por grado. Y si, como dijiste, estás considerando 0.3 pA, eso es una desviación del 40% / degC. Es cierto que puede obtener un rendimiento de deriva mucho mejor (consulte los amplificadores operacionales Zero-Drift), pero no tienen el rendimiento actual que está buscando.

Mientras estoy en ello, podrías considerar no usar PD en absoluto. ¿Qué tal un buen CCD? En efecto, sería delicado todo el problema actual integrando la corriente del detector y alimentando el total en un pulso de lectura mucho más corto, pero más grande. Necesitaría una lente de enfoque y la alineación sería importante, pero puede elegir los tiempos de integración para obtener la ganancia que necesita, y normalmente tienen celdas oscuras en los extremos del CCD para que pueda compensar las variaciones de temperatura. 3 pA es de aproximadamente 2 millones de electrones por segundo, por lo que un tiempo de integración de 10 ms le dará aproximadamente 20,000 electrones por muestra, lo cual es bastante razonable. Sin embargo, como digo, necesitarías una cuidadosa atención a la óptica. Bueno, nada es gratis, ¿verdad?