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Hallo zusammen,

im Rahmen einer Forschungsarbeit möchte ich einen Lichtdetektor mit einer Avalanche Fotodiode bauen. Da ich selber noch recht wenig Erfahrung im Bereich der Elektronik und auch keinen erfahrenen Ansprechpartner habe, richte ich mich jetzt an euch und hoffe, dass ihr ein wenig helfen und mir ein paar Fragen beantworten könnt.

Zunächst einmal ein paar Details zu meinem Projekt. Das Ziel meiner Arbeit ist es sehr kleine Lichtmengen im blauen Wellenlängenbereich zu detektieren. Dazu möchte ich allerdings keinen Fotomultiplier verwenden, da ich das ganze eher kostengünstig halten muss. Eine normale Fotodiode habe ich erstmal ausgeschlossen, da sie bei der zu messenden geringen Strahlungsstärke ein zu kleines Signal liefert. Meine Idee war nun eine Avalanche Fotodiode zu verwenden. Folgende habe ich mir bestellt.
http://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lcd/sae-series_red-enhanced.pdf

Ansonsten steht mir für den Aufbau des Detektors ein Oszilloskop und ein regelbares Spannungsnetzgerät zur Verfügung, dass die notwendige Sperrspannung liefern kann. Allerdings hat es einen internen Strombegrenzer (1mA), den ich nicht deaktivieren kann. Mir ist noch nicht ganz klar, ob das eventuell ein Problem sein könnte.

Nun zu meinen Fragen. Generell wollte ich den Aufbau wie im Bild (Anlage) realisieren. Dabei sind mir allerdings ein paar Sachen unklar. Welchen Operationsverstärker wählt man für so eine Schaltung am besten und wie entscheidet man überhaupt, welchen OPV man nimmt? Wozu wird der Kondensator benötigt? Haltet ihr den Aufbau für sinnvoll oder hättet ihr vielleicht eine bessere Idee? Habt ihr Erfahrung im Umgang mit APDs? Was sollte man beim Umgang mit ihnen beachten? Teilweise hab ich ein wenig bedenken, dass ich den APD beim Rumprobieren versehentlich zerstören könnte.

Meine bisherigen Versuche waren nicht sehr zufriedenstellend. Bei Bestrahlung der APD habe ich zwar ein Signal erhalten. Dieses war allerdings sehr gering, so dass ich von der Verstärkung der APD und des Transimpedanzverstärkers nicht viel gemerkt habe. Bei gleichem Aufbau mit einer normalen Fotodiode ohne Sperrspannung habe ich deutliche höhere Signale erhalten.

Für den Transimpedanzverstärker habe ich einen OPV (ST Lf351N) verwendet, den ich gerade zur Verfügung hatte und bei dem ich mir überhaupt nicht sicher war, ob er für solche Zwecke überhaupt geeignet ist.

Ich hätte noch viele andere Fragen aber ich denke, wenn mir jemand die oben gestellten Fragen beantworten könnte, wäre mir schon sehr geholfen. Ich bedanke mich vielmals für eure Hilfe.

Ciao Chris

Hi,
sind für diese Anforderungen Phototransistoren nicht geeignet? (zu langsam?)
Bei der Avalange-Methode sehe ich für das blaue Spektrum eine sehr geringe Verstärkung von nur bis 10 und einen gesamtempfindlichkeitsbereich von unter 1/3 der normierten visuellen Empfindlichkeit.

Vermutlich kann ein mehr stufiger (filternder) Verstärker mit einer Eingangsstufe als differenziator hier bessere Ergebnisse bringen.

Ich hab auch mal einen Artikel gelesen, in dem jemand eine BPW-Photodiode als Gamma-Detector verwendet hat. Link -> http://www.b-kainka.de/bastel131.html
Geht auch mit einer LED ohne Phosphor in Sperrichtung und bei sehr geringer Betriebspannung.

Vielleicht hilft das weiter. Der Kondensator in Deiner Schaltung könne ebenso als Integrator für die Lichtimpulse wirken und ihre wirksame Detection verhindern. - Darum der Ansatz mit dem differenzierenden Eingang, bei dem die Anode der APD auf Masse geht und der Kondensator den Eingang des ersten OpAmp mit einem Signal versorgt. (Widerstand 1M nach Masse)
Versorgungsspannung ist bei APD weiterhin um 200V - Strombegrenzung ist wichtig, da die Recovery-Zeit zwischen zwei Impulsen von der Größe der aufgebauten Raumladung aus dem Durchbruchstrom abhängt.

CU
st

» sehr kleine Lichtmengen
wieviel µW/cm²
» im blauen Wellenlängenbereich zu
welche Wellenlänge von.....bis......

Hi,

der Wellenlängenbereich, der für mich interessant ist, ist 400-500nm. Ich weiß, dass die APD in diesem Bereich nicht ihre höchste Sensibilität hat, habe aber auf Anhieb keine bessere zu dem Preis gefunden. Einen genauen Wert zur Lichtintensität anzugeben ist schwierig, da es mir bisher noch nicht möglich war etwas sinnvoll zu messen. Ich würde mal schätzen, dass meine Strahlungsquelle (fluoreszierende Flüssigkeit) eine Leistung im einstelligen µW-Bereich über den gesamten Raumwinkel emittiert.

Ciao Chris

na dann schau dir mal den Taos 237 an

macht direkt licht -> Frequenz und beginnt bei 0,001µW/cm²
brauchst keinen Verstärker, temp kompensation und so sondern nur ein Frequenzmessgerät

zw. 400 und 500nm hat der noch eine Empfindlichkeit von 50 -80%

noch empfinlicher ist der 230 - beginnt bei 0,0001µW

Hi,

danke für die schnellen Antworten. Den Phototransistor hatte ich erstmal ausgeschlossen, da ich momentan einen Lock-in Verstärker benutze um mein Lichtsignal zu modulieren um es somit über seine Frequenz vom Umgebungslicht zu trennen. Ich denke, dass ein Phototransistor dafür zu langsam sein könnte. Ich werde die Idee aber im Hinterkopf behalten, falls ich mit der APD nicht weiterkomme.

Beim TAOs 237 sehe ich gerade keinen Vorteil zur normalen Photodiode. Es sollte für die Empfindlichkeit des Detektors ja egal sein, ob ich den Strom der Photodiode in eine Spannung oder in eine Frequenz umwandel. Vielleicht entgeht mir da aber auch ein wichtiger Punkt.

Leider wurden meine Fragen bezüglich des Operationsverstärkers noch nicht beantwortet. Da ich erstmal die Möglichkeiten der APD ausschöpfen wollte, interessiert es mich momentan mehr eine funktionierende Schaltung für die APD aufzubauen als einen alternativen Detektortypen zu finden.

Ich bedanke mich schon einmal vielmals für die tolle Hilfe.

Ciao Chris

»
» Beim TAOs 237 sehe ich gerade keinen Vorteil zur normalen Photodiode. Es
» sollte für die Empfindlichkeit des Detektors ja egal sein, ob ich den
» Strom der Photodiode in eine Spannung oder in eine Frequenz umwandel.

nicht egal ist ob du einen Verstärker bauen musst (Photostrom = nA!!!) oder alles fertig am chip ist
Taos hat auch Licht Spannungswndler - lies mal die Datenblätter

» interessiert es mich momentan mehr eine funktionierende Schaltung für die
» APD aufzubauen als einen alternativen Detektortypen zu

Na dann umsehen, was die Konkurrenz so treibt.
Als Anhaltspunkt zum Einstieg.
Mal googlen +APD +"amplifier-design" filetype:pdf


[PDF] Development of an APD amplifier for the Runtime Alignment of the ATLAS Inner Detector...

www.cdsweb.cern.ch/record/550532/files/thesis-2002-019.pdf

S.68(44) ff

LMC6001 mit 2pA input-current interessant.
Auswahlkriterien, Schaltungsbeschreibung etc siehe Text.
Diode ist nat. eine Andere.

Interessehalber wo sind solche Dioden preislich angesiedelt?

Evtl. ist es dir von Nutzen.

Hi,

die APD hat 40€ gekostet. Ich schaue mir mal die PDF an, die du mir verlinkt hast und melde mich dann mal, ob es mir geholfen hat.

Vielen Dank

Hi,

ich habe mir jetzt mal die PDF, die du mir verlinkt hast, angeschaut und habe mir daraufhin einen neuen OV bestellt. Da es den LMC6001 nicht gab, habe ich mir den LMP7721 bestellt, der als "Femtoampere Input Bias Current Precision Amplifier" beworben wird. Im Datenblatt wird geschrieben, dass er sich besonders gut als photodiode amplifier eignet.

Der Schaltplan, den du angehangen hast (APD Circuit First Stage), ist mir noch ein wenig zu kompliziert. Mir ist dort bei vielen Bauteilen nicht klar, warum man sie genau so dort einsetzt.

Vielen Dank für die Hilfe

Hallo,

Will kurz darauf hinweisen das der LMP7721 nur einen
Versorgungsspannungsbereich von 1,2 bis 5,5 Volt hat!


» habe ich mir den LMP7721 bestellt, der als "Femtoampere

Schaden kann es nichts ob es etwas bringt hängt nicht zuletzt vom Aufbau ab.




Also duale 5V Versorgung ist nicht möglich, +/- 2.5 geht natürlich.

Hab jetzt aber gerade nicht mehr Zeit.

» Der Schaltplan, den du angehangen hast (APD Circuit First Stage), ist mir noch ein wenig zu kompliziert.


Link geht wohl nicht mehr.

Der Autor will ja aber auch um Grössenordnungen empfindlicher messen.

» Mir ist dort bei vielen Bauteilen nicht
» klar, warum man sie genau so dort einsetzt.

Welche denn?

Der Kondensator vor der Diode nach GND gehört zur HV Quelle.
Evtl. nötig aufgrund der Leitungslänge. Die Kondensatoren am OP1 sind Abblockkondensatoren.

Den Wert von Rf muss man letztlich wohl einfach mit einer max. bestrahlten Diode ausprobieren
und wird ganz sicher um einiges kleiner ausfallen.

Strom/Spg.-Umsetzer, Verstärker, Tiefpass-Filter, Leitungstreiber.

Der Tiefpass orientiert sich an der Bandbreite die Rf zulässt. Ob dieser
und der Leitungstreiber benötigt werden hängt vom Messaufbau ab,
Aussere Störeinflüsse, Platzverhältnisse, Art des Experiments einmalig improvisiert oder auf Dauer, etc...

Hi,

erstmal wollte ich mich bedanken, dass du dir so viel Mühe machst mir zu helfen. Ich habe mich jetzt dazu entschieden den von dir geposteten Schaltplan Stück für Stück nachzubauen. Dazu benutze ich erstmal wieder eine normale Photodiode, da ich dafür zunächst keine Spannung in Sperrrichtung brauche, und versuche zunächst den Strom/Spg. Umsetzer nachzubauen. Dazu wollte ich den Schaltplan (Anlage) aus dem Datenblatt meines OpAmp. benutzen. Dazu hätte ich noch ein paar Fragen.

Wozu braucht man hier den Kondensator Cf?
Die Spannung Vout wird zwischen Vout und Erde gemessen oder?
Wo genau liegt der Unterschied zwischen Masse und Erde? Ich habe die beiden einfach verbunden und beide anschließend geerdet. Ist das richtig?

HI,
Masse und Erde haben unterschiedliche Bedeutung.

In der alten Fernmeldetechnik oder auch bei Fernenergieversorgung spielt die Erde die Rolle des Bezugspotentials und "stillen" Rückleiters.

Bei Elektrogeräten und Elektronik soll dagegen die Erde frei von irgendwelchen Potentialen gehalten werden.
Ausnahme: Funktechnik, wo die Antenne als Gegengewicht die Erde braucht (Langwelle bis Mittelwelle, teils Kurzwelle)

Oder eben Telefontechnik, für bestimmte Signalisierungen (alte Technik).

Im gezeigten Schaltbild sollte daher Masse (Dreieck-Symbol) mit Erde als ein einziges gemeinsames Bezugspotential innerhalb des Gerätes verbunden sein.

Cu
st

» Wozu braucht man hier den Kondensator Cf?

Begrenzen der frequenzabhängigen Verstärkung des Eingangsspannungrauschen.

Ab S.9 ff transimpedance-fundamentals
www.ti.com/lit/ds/symlink/ths4631.pdf


Ausprobieren.

Was dann gleich zum nächsten führt,
berechnen des Ausgangsrauschen, abschätzen der NEP.
Der rauschequivalenten effektiven optischen Eingangsleistung.

Auf deutsch, was taugt das Ding, und wie bestimmt man die
kleinste detektierbare Lichtleistung.

eitidaten.fh-pforzheim.de/daten/mitarbeiter/mohr/materialien/MT2/MES-Kap10.pdf

Eigentlich sollte mann das ja vor dem Kauf mal überschlagen