Термокомпенсированный усилитель сигнала фотодиода, Как компенсировать температурный дрейф диода. Опции

[ADOWWW]

Приветствую коллег !
Необходимо регистрировать и измерять яркость пикосекундных ( 200-500 пс) лазерных импульсов.
В принципе схемотехника не сложная, усилитель фототока на ОУ с термокомпенсацией на резисторной сборке.
Если необходимо, схему попозже приведу.
Но есть одна проблема, в процессе работы, датчик с оптикой и фотодиодом ( G12183-003K ) разогревается измеряемым лазерным излучением, от комнатной- до 60-70 градусов.
Ответственно плывет фототок диода, нелинейно. Подскажите, может есть схемотехнический способ достаточно точной термокомпенсации дрейфа фотодиода?
Сделать термос или заменить диод на диод с пельтье, в данном устройстве затруднительно. Рассматривается лишь как безвыходный вариант.

[alexunder]

Подскажите, может есть схемотехнический способ достаточно точной термокомпенсации дрейфа фотодиода?

Проще откалибровать наверное: чувствительность как функция температуры (если длина волны лазера не меняется), но потребуется измерять температуру корпуса диода.

[ADOWWW]

alexunder, калибровка не получается , нелинейность все губит.
Я попробовал включить в цепь оффсета кремнивый диод, но у него другая кривая дрейфа. Есть идея применить второй фотодиод для компенсации, но пока не пробовал, да и стоимость его, честно говоря, почти 70 евро...

Да, кроме того, у меня в датчике стоят два диода, два независимых канала измерения. Так вот реакция на изменение температуры у них разная.
Сначала грешил на усилители, но заменил диоды на сопротивления - оба канала идентичны.

Я бы с удовольствием сделал бы термос. Вся проблема в том, что измеритель надо встроить в уже готовый лазер, места там с гулькин нос. И проблема с питанием, максимум что могу забрать себе это по 24В - 50мА.
Если городить активную термокомпенсацию, придётся тянуть в оптический банк дополнительный кабель питания. Вобщем технические трудности.

[alexunder]

Если вы измеряете среднюю мощность лазера (а скорее всего это так, ибо InGaAs диод по ссылке довольно медленный), то почему бы не использовать термоэлектрический сенсор подобно тем что стоят в измерительных головках?
Еще как вариант можно поставить нейтральный фильтр для поглощения части излучения чтобы не перегревать фотодиод, но в таком случае измеряемый фототок будет меньше. Какая длина волны?

[MegaVolt]

Если необходимо, схему попозже приведу.

Было бы очень интересно глянуть

[ADOWWW]

alexunder, длинна волны 2100нм. Измеряем уровень каждого импульса, частота 100Гц. Скорость достаточная, да и не так много диодов на эту волну, особенно быстрых.
И фильтр стоит , и зеркало отбора, около 1% . Нагрев никак не убрать. Греется все, ну и диоды вместе с ними. Но это все другая тема, у мну есть ослабленный почти в 1000 раз фотопоток и как факт - нагрев.
Причём верхняя температура скачет в зависимости от режимов работы лазера и окружающей температуры .
Есть ли идеи схемотехнической компенсации ?

MegaVolt, выложу с работы.

[VCO]

Я бы с удовольствием сделал бы термос. Вся проблема в том, что измеритель надо встроить в уже готовый лазер, места там с гулькин нос. И проблема с питанием, максимум что могу забрать себе это по 24В - 50мА.
Если городить активную термокомпенсацию, придётся тянуть в оптический банк дополнительный кабель питания. Вобщем технические трудности.

А вариант с обдувом диода воздухом тоже не подходит?

[novikovfb]

Нагрев никак не убрать. Греется все, ну и диоды вместе с ними. Но это все другая тема, у мну есть ослабленный почти в 1000 раз фотопоток и как факт - нагрев.
Причём верхняя температура скачет в зависимости от режимов работы лазера и окружающей температуры .
Есть ли идеи схемотехнической компенсации ?

Выходной сигнал должен идти на цифровой измеритель? Тогда можно переложить на него термокомпенсацию, т.е. откалибровать фотоприемник + усилитель в диапазоне рабочих температур и забить таблицу в программу обработки.

[alexunder]

Выходной сигнал должен идти на цифровой измеритель? Тогда можно переложить на него термокомпенсацию, т.е. откалибровать фотоприемник + усилитель в диапазоне рабочих температур и забить таблицу в программу обработки.

Автор уже пробовал, см пост выше

[novikovfb]

Автор уже пробовал, см пост выше

Не понимаю, как может мешать нелинейность. Вопрос только в размерах таблицы термокомпенсации: шаг должен быть достаточно мелким, чтобы нелинейность внутри шага не превышала требуемой точности.

[alexunder]

Не понимаю, как может мешать нелинейность. Вопрос только в размерах таблицы термокомпенсации: шаг должен быть достаточно мелким, чтобы нелинейность внутри шага не превышала требуемой точности.

Возможно. Придется калибровать каждый экземпляр фотодиода (на случай если много аналогичных устройств), т.к. коэффициенты будут уникальными.

ADOWWW, думаю, наблюдаемый эффект связан с особенностями температурной зависимости ширины запрещенной зоны InGaAs, это даже видно из datasheet (стр 3, верхний левый график), чем ближе длина волны к Eg (у вашего диода Eg в районе 2.6 мкм (0.5 эВ)), тем сильнее температурный коэфф. чувствительности. Если я прав то компенсировать схемотехнически суть делать "калибровку" температурной зависимости чувствительности аналоговым способом.

[iliusmaster]

Аналоговых вариантов не много и все они сложные.
1. Использовать теморезисторы с положительной и отрицательной ТКС, комбинируя их добиться компенсации изменения сигнала.
2. Использовать стабилитроны и диоды с промеренной ТКС. Подбирая из кучи с похожей для вашего диода по форме, но противоположной по знаку. Это просто "трындец" затраты на промерку, маркировку и подбор.
Проблемы:
1.Каждую схему придется очень долго подгонять под конкретный диод и не факт, что идеально сойдется из-за разброса параметров.
2. Необходимо обеспечить полное совпадение температуры диода и температуры компенсирующих элементов.


Я бы смотрел в сторону градуировочных таблиц.

[prig]

... Если я прав...

На все 100%.

Аналоговых вариантов не много и все они сложные...
...
...
2. Необходимо обеспечить полное совпадение температуры диода и температуры компенсирующих элементов.


Я бы смотрел в сторону градуировочных таблиц.

100% совпадения может добиться только Господь.

В остальном же придётся оперировать погрешностью компенсации.
В большинстве случаев прокатывает сравнительно простая аппроксимация с привязкой по 3-м точкам.
В аналоге легко прокатывает привязка по 2-м точкам, 3 точки заметно заморочистей.
В современной цифре - хоть полную калибровочную таблицу. Только с ней свои проблемы будут.

Т.е., таки правильней аппроксимация в цифре, но с количеством точек разбираться по задаче.

[ADOWWW]

Да, ребята, я подозревал, что простого решения не будет.
Создание таблиц именно тот метод, который приходится использовать сейчас. Но в реальном производстве это мина замедленного действия.
Поскольку эти датчики - элементы обратной связи по выходной мощности. И при замене или еще какой нибудь проблеме
надо будет опять производить уникальную калибровку обоих каналов в "полевых условиях", а проконтролировать ее мы уже ни как не можем.

Если не будет от участников какой нибудь оригинальной идеи, хочу попытаться использовать второй такой же диод в качестве термокомпенсирующего.

[alexunder]

Да, ребята, я подозревал, что простого решения не будет.

Есть красивый вариант, но понадобятся некоторые изыскания. Суть его в том, чтобы преобразовывать 2.1 мкм в видимый свет, который затем детектировать кремниевым фотодиодом.
Для преобразования необходимо подобрать материал с высоким коэффициентом многофотонного поглощения. В вашем случае нужно три фотона с длиной волны 2100нм чтобы получить один виртуальный с длиной волны 700 нм, которая близка к пику чувствительности кремниевых ФД.
Как правило органические полупроводники имеют якро выраженные свойства, еще квантовые точки. Оба варианта наносятся из раствора на кварцевую пластину где образуют тонкую пленку и энкапсулируются (сам когда-то изучал этот эффект в квантовых точках), затем такая пластинка ставится перед Si-фотодиодом. Вероятность многофотонного поглощения сильно зависит от интенсивности излучения, т.е. как раз ваш случай. Но тут вам нужен специалист по material science.
Альтернатива упомянутым тонкопленочным материалам - кристаллы KDP, BBO, LTB, и CLBO, которые применяют в лазерах для преобразования гармоники. Вам нужна третья гармоника, нужно подобрать правильный тип кристалла. Опять же кристаллики бывают довольно миниатюрные, 5х5х5 мм^3.
Забыл сказать, что часть 2.1мкм излучения будет "пролетать" сквозь такой преобразователь, но вряд-ли вызовет сильный нагрев Si-фотодиода, а даже если вызовет, то не приведет к сильному изменению чувствительности.

[iliusmaster]

С преобразованием в диапазонах придется учитывать время преобразования. Импульсы то 200пс., а это цепь обратной связи, а зависит ли квантовый выход преобразователя от температуры???. Ох целая научная работа получится.
Второй диод - это вариант. Только нужно, чтобы они были похожи по ТКС, а это вопрос... и у них были максимально близкие температуры.

[ADOWWW]

Да, с преобразование длины это красивый вариант, я обязательно его возьму на заметку, но к сожалению он ни как не решит проблему нагрева оптического бокса.

200пс, это, скажем так, "желательный" параметр. Пока удалось достичь 800пс при необходимой мощности и что то подсказывает, что на этом и остановятся ))

Думаю, попробую я закатать туда второй диод. Посмотрим как будет бегать сигнал. Разброс на самих диодах не нулевой конечно.
Между каналами ( разброс самих диодов) 5-8%, что вполне укладывается во флуктуационную погрешность самого лазера.
Так , что если в результате всех манипуляций сигнал будет бегать на 10%, буду полностью доволен )))

[MegaVolt]

Всё же не до конца понимаю что компенсируем? Если чувствительность от температуры то судя по графику на странице 3 слева вверху на заданной длинне волны погрешность будет меньше 0,1% на градус что как раз даёт 10% на 100градусах.

Если речь про темновой ток то по сути просто нужно измерять полку между импульсами и вычитать её из измеренного уровня. Или вообще убрать постоянку перед измерением.

[ADOWWW]

Всё же не до конца понимаю что компенсируем? Если чувствительность от температуры то судя по графику на странице 3 слева вверху на заданной длинне волны погрешность будет меньше 0,1% на градус что как раз даёт 10% на 100градусах.

Если речь про темновой ток то по сути просто нужно измерять полку между импульсами и вычитать её из измеренного уровня. Или вообще убрать постоянку перед измерением.

По факту , у меня при 24°C оффсет 100мВ при полезном сигнале 1500мВ на 150Вт. Те же самые 150Вт при температуре 70°C дают 400мВ оффсета и почти 3В сигнал.Если вместо диода ставлю резистор
имитирующий 150Вт/24°C, то имею на 70°C - 50мВ оффсет и 1500мВ сигнал, то , что оффсет скачет вниз результат слишком сильной компенсации, у меня стоит кремневый диод .
Но это мне безразлично, поскольку оффсет измеряется перед импульсом и вычитается из уровня сигнала. Самое главное, что сигнал не пляшет.
С диодом же, получается каша. Термокомпенсация оффсета и самого ОУ не справляется и сам сигнал фототока скачет вверх.
А это приводит , при нормальной работе, к занижению выходной мощности на 50%, что неприемлимо.
Грешу на фотодиод. А начал я, с простейшего каскада на ОУ, постепенно схема обросла термокомпенсацией и дополнительными каскадами. Кроме того,
если разберусь с температурным дрейфом , думаю сделать токовую петлю, слишком высок уровень помех. Но это уже другая история.
Я на работе схему фотодатчика завтра скопирую и выложу, может чего найдёте

[MegaVolt]

По факту , у меня при 24°C оффсет 100мВ при полезном сигнале 1500мВ на 150Вт. Те же самые 150Вт при температуре 70°C дают 400мВ оффсета и почти 3В сигнал.

Вот это очень странно. Потому что если верить даташиту такого не должно быть. Т.е. логично предположить что ошибку вносит что-то ещё.

Может быть проблема в том что импульс очень короткий и реакция диода на него оказывается сильно нелинейной. Например из-за того что частотная характеристика диода меняется из-за температуры.

[ADOWWW]

Вот это очень странно. Потому что если верить даташиту такого не должно быть. Т.е. логично предположить что ошибку вносит что-то ещё.

Я сам не могу понять, почему такая каша происходит.
Сегодня были у меня два инженера с АналогДевайсес, у меня их операционник стоит AD8000.
Сошлись на мнении, что для начала компенсирую виртуальную землю первого каскада вторым диодом. Закрою окошко и припаяю его с термоконтактом, с задней стороны платы.
Кроме того, есть подозрение, что LM4040-2.5 (стаб запирающего напряжения) то же слегка плывёт. Учитывая коэффициент усиления , это даёт ощутимую дополнительную нелинейность на высокой температуре.
Вобщем на следующей неделе проведу эксперименты. Руки сегодня не дощли скопировать схему. Вложу как смогу.

[smk]

Для этих целей изготавливаются фотодиоды с элементом Пельтье и градусником в одном корпусе. Другого пути кроме стабилизации температуры нет. У всех ведущих изготовителей есть этот ряд конструкций.

[Stanislav]

alexunder, длинна волны 2100нм. Измеряем уровень каждого импульса, частота 100Гц. Скорость достаточная, да и не так много диодов на эту волну, особенно быстрых.
И фильтр стоит , и зеркало отбора, около 1% . Нагрев никак не убрать.

А почему нельзя сделать 0,1, или 0,01% отбора?

ЗЫ. Пардон, если есть другие источники нагрева, кроме падающей лучистой энергии .
Нужен конструктив, иначе бла на несколько страниц.

[ADOWWW]

Да, чтоб закрыть тему, второй диод ничего особенного не дал. Вернулся к теме термоса.
В качестве "ткнуть в глаза" прилепил на плату пельтье с радиатором и запитал от регулятора температуры, выставил 25град.
Результат отличный, хотя и плохой термоконтакт , да и все открыто. Настоял на изменении конструкции датчика, будем менять. ))

[prig]

По факту , у меня при 24°C оффсет 100мВ при полезном сигнале 1500мВ на 150Вт. Те же самые 150Вт при температуре 70°C дают 400мВ оффсета и почти 3В сигнал.
...
Грешу на фотодиод.
...

А я бы грешил на нелинейность выбранного режима работы фотодиода. С собственно смещением никакого криминала нет.
Если учесть, что нелинейность чувствительности начинается при при мощностях менее 1 мВт, вдувается что-то около 150 мВт (с вашей цифрой 1/1000), а нелинейность сильно зависит от температуры, это ещё не худший вариант.

[Tarbal]

Приветствую коллег !
Необходимо регистрировать и измерять яркость пикосекундных ( 200-500 пс) лазерных импульсов.
В принципе схемотехника не сложная, усилитель фототока на ОУ с термокомпенсацией на резисторной сборке.
Если необходимо, схему попозже приведу.
Но есть одна проблема, в процессе работы, датчик с оптикой и фотодиодом ( G12183-003K ) разогревается измеряемым лазерным излучением, от комнатной- до 60-70 градусов.
Ответственно плывет фототок диода, нелинейно. Подскажите, может есть схемотехнический способ достаточно точной термокомпенсации дрейфа фотодиода?
Сделать термос или заменить диод на диод с пельтье, в данном устройстве затруднительно. Рассматривается лишь как безвыходный вариант.

Если плывет темновой ток, а чувствительность не меняется, то поставьте еще один фотодиод в тепловом контакте с приемным, но закрытый. Измеряйте разницу.
А если нейтральными (хотя для монохроматического света любые подойдут) фильтрами ослабить свет, падающий на принимающий диод чтобы он не грелся?