Снова об усилении фототока Опции

[Herz]

Тема уже подробно обсуждалась (ели кому интересно), всё же хотелось бы к ней вернуться.
Сейчас для подсветки у меня появилась возможность использовать лазер на ЛД, допускающий линейную модуляцию. Теперь, модулируя его синусом, расчитываю существенно поднять соотношение С/Ш за счёт сужения полосы приёмника. Предварительные результаты обнадёживают.
Общий вывод из предыдущего обсуждения: основное усиление должно происходить в первом каскаде, выполненном по трансимпедансной схеме, затем выделение полосы, дополнительное усиление (до или после детектора) и т.д.
Теперь резистор в ОС ТИ-усилителя в 15 МОм уже обеспечивает мне необходимое усиление. Вторым каскадом стоит полосовой фильтр на LT1567 с Ку=1. Но вот проблема: ширина полосы такого фильтра зависит от усиления на центральной частоте и увеличение его в 10 раз, к примеру, сужает полосу более чем вдвое. Придётся соответственно уменьшить Ку первого каскада.... Где тут компромисс?

[DS]

Поставить делитель после первого каскада. Я не шучу.

[Herz]

Поставить делитель после первого каскада. Я не шучу.

Вы не напрасно сделали эту приписку. Сам бы я не додумался.
А не поясните, чем это лучше снижения усиления 1-го каскада? Снижением сопротивления Rос (или конденсатором параллельно ему, уменьшая усиление по ВЧ)? Я пока не догадываюсь.

[DS]

Вы не напрасно сделали эту приписку. Сам бы я не додумался.
А не поясните, чем это лучше снижения усиления 1-го каскада? Снижением сопротивления Rос (или конденсатором параллельно ему, уменьшая усиление по ВЧ)? Я пока не догадываюсь.

Сигнал-шум сохраняется. Уменьшая усиление трансимпедансного каскада, Вы проигрывает в корень от уменьшения резистора в сигнал-шуме.

[Herz]

Неожиданно как-то. Выходит, в общем случае для улучшения С/Ш нужно усилить сигнал (+шум) насколько возможно, а затем поделить до нужного значения?

[DS]

Нет, здесь мы просто имеем дело с особым случаем - шум каскада определяется не операционником, а резистором обратной связи. Во всех остальных случаях усиление/деление не приведут к улучшению сигнал/шума.

[Herz]

Спасибо, теперь уже понятно. Единственная проблема с делителем - ухудшится выходное сопротивления каскада перед фильтром, а это вряд ли хорошо.

[DS]

Спасибо, теперь уже понятно. Единственная проблема с делителем - ухудшится выходное сопротивления каскада перед фильтром, а это вряд ли хорошо.

Можно резисторы делителя "всчитать" в фильтр. И окончательный расчет сделать с учетом их.

[Herz]

Постепенно добрался, наконец, до реальных измерений. Усилительный тракт собран, спасибо DS за ценные подсказки. Выглядит так: ТИ-усилитель на AD825, полосовой фильтр с парафазным выходом пришлось выполнить на дискретных ОУ OPA727, далее СД на ключике ADG419 и ФНЧ на ОРА277. АЦП AD7738 (16-битный режим, время конверсии 1мс). Усредняю каждые 500 измерений.
Модуляция лазера - синусом 10,8 кГц.
В принципе всё работает, но наблюдается значительный дрейф конечного результата, весьма низкочастотный, особенно первый час работы. Да и затем доходит до 1% от измеряемой величины.
Сначала грешил на нестабильность мощности лазера (встроенного монитора он не имеет), сделал канал контроля, корреляция слабая.
Склоняюсь к мысли о нестабильности фотодиодов.
Пробовал фотодиоды FDS100, PC5-6, PC10-6 (от Silicon Sensor GmbH), разультат практически одинаков.
Модулируемый фототок приличный - порядка 80 нА RMS. Средний, правда, не контролируется.
В связи с этим вопрос - какого порядка стабильности фототока от них можно ожидать без термостабилизации? Может быть, "подсветить" его нужно для стабильности, (ибо внешней посторонней засветки может и не быть) и чувствительность ею модулируется?

Сообщение отредактировал Herz - Sep 28 2007, 23:21

[mdmitry]

Термостабильность лазера может влиять. От разогрева полупроводниковые лазеры могут менять не только мощность , но и модовый состав, причем хаотично. Этот эффект наблюдали а аппаратуре. За час может уйти, а затем застабилизироваться (нагрелся весь объем лазера).

[Le Fou]

Модуляция лазера - синусом 10,8 кГц.
В принципе всё работает, но наблюдается значительный дрейф конечного результата, весьма низкочастотный, особенно первый час работы. Да и затем доходит до 1% от измеряемой величины.

Интересно, переход на синусоидальную модуляцию улучшил дело? Если да, то мне это странно. Неужели прямоугольником входной каскад перегружался? В спектре прямоугольника следующая гармоника третья, должна бы отсечься полосовиком.
При этом сам детектор по-прежнему перемножает с прямоугольнком (а не с синусом), что дает паразитную чувствительность к четным гаромоникам.
И как быть уверенным. что не плывет уровень 100% у модулятора? В схеме с прямоугольником это проще, кстати.

Модовый состав плывет, да. Если есть интерференционный фильтр, то могут быть биения. Хотя скорее всего полоса фильтра много шире полосы диода, и эффект пренебрежим. Но если при изготовлении фильтра попали в край, то моно и заметить.

Дрейф также может быть следствием механических смещений (а они обычно имеют температурную природу). Выходное "изображение" ползает по плошадке диода, а зонная характеристика плошадки неровная. Ну или сам диод ползает.
А как оптичская схема выглядит? Например, сквозь/на образец стараюся пускать широкий параллельный пучок, чтобы поменьше играли роль геометрические вариации.
Пространственная когерентность лазера ухудшает дело -- в отражении могут наблюдаться интерференционные эффекты (спеклы). В итоге разница яркостей в соседних участках может быть сильно больше ожидаемого. Для рассеяние это бы не должно играть роли, но очень часто к честному рассеянию добавляется паразитная компонента отражения. Она сильно ухудшает линейность, и может косвенно быть причиной повышенного дрейфа.

А вообще в прецизионной фотометрии для компенсации дрейва источника используется двухканальная схема. При помощи двигающегося/вращающегося зеркала на приемник поочереднго попадает сигнал либо от измеряемого образца, либо от эталона. Иногда в этот цикл вставляют заслонку для измерения темнового уровня. Периодически делается перенормировка. Иногда вся система располагается на одном вращающемся диске, уровни темнового и 100% учитываются на каждом измерении. Ну раз у вас СД на частоте 10.8 кГц, это не вариант.

Вне связи с дрейфом. Я довольно бегло прочитал историю и, возможно, ответ уже был. А какая длина волны лазера? Максимум спектральной чувствительности кремния под 900 нм. Все исключения связаны с отрезанием ИК части кривой и со снижением абсолютной чувствительности.

[Herz]

Спасибо за участие в обсуждении.
Термостабильность лазера была под первым подозрением, однако прибор, похоже, имеет какую-то встроенную схему стабилизации. По крайней мере, ведёт себя приличнее, чем мои первые самоделки на ЛД. В этом я убедился, собрав канал контроля мощности и подав на него часть излучения. Да, первые 15-30 минут колебания мощности заметны, с уровнем отражённого (рассеяного) корреляция чёткая, при желании их можно будет скомпенсировать. Однако после 40 мин - 1 часа работы и даже при нагревании феном ухода почти нет, но дреф результата всё ещё велик. Вот, к примеру, картинка после прогрева:
[attachment=14075:attachment]
Переход на модуляцию синусом увеличил, ИМХО, отношение С/Ш. Модулирующий сигнал очень чистый и значительно сузить полосу пропускания тракта не составило труда. От прямоугольника же отсечь третью гармонику, во-первых, значительно сложнее, во-вторых, в ней содержится часть энергии сигнала. Подавлять её нехорошо и неподавлять - нехорошо.
Влияние второй гармоники на этот простенький СД я, возможно, недооцениваю - честно говоря, слабо представляю, откуда ей взяться. Да и после такого тщательного усреднения результата можно ли её заметить? Особенно сейчас, в статическом (или псевдостатическом) режиме.
Стабильность модулятора на 100% проверить, конечно, сложно, но я провёл простенький эсперимент. Выпаял фотодиод и подал на ТИ-усилитель такого же порядка ток прямо с модулятора. Показания в течение получаса не шелохнулись (колебания были лишь младшего бита из 16-ти). На основании этого сделал вывод, что сам усилитель-детектор "не плывёт", так же, как и модулируюший сигнал.
Чувствительность стенда к виброации, конечно, есть, но её постарался свести к минимуму. Всё максимально жёстко закреплено, профиль луча довольно широк: сейчас пятно представляет собой линию примерно 7х0,5 мм. И замена фотодиода на другой, с большей площадкой, тоже не сказалась сколько-нибудь заметно. Спекловый шум, безусловно велик - проверки производились пока на отражение от обычной бумаги. В дальнейшем попробую стекло с просветляющим покрытием на нужную длину волны.
Но в данном случае не верится, что именно его влияние приводит к дрейфу.
Лазер на 660 нм. Эксперимент с интерференционным фильтром, кстати, действительно приводит к совсем уж безобразной картине.

[DS]

Если у вас размер пятна 7мм, а площадка фотодиода, как я понимаю, 4 мм - может быть дрейф такого порядка. Надо собирать весь свет от лазерного пятна на диод. Важен сам факт, что собиратеся весь свет, а не размер площадки в этом случае. Можно попробовать линзой уменьшить изображение пятна на фотодиоде.
Попробуйте вместо фотодиода впаять конденсатор с емкостью, как у фотодиода, и снова провести проверку на дрейф усилителя.
Попробуйте завести на фотодиод лазерый пучок от светоделительной пластинки (клина), а не отраженный от поверхности. Но свет в любом случае должен собираться весь - при неполном попадании пучка на фотодетектор обычно именно такая картина и наблюдается. Еще необходимо обратить внимание на то, что от фотодиода отражается заметная часть светового потока, если она потом туда-сюда бродит по оптической схеме, тоже может давать такую картину. С этим борются, устанавливая фотодиод под углом.

[mdmitry]

Проверьте поперечные моды лазера, при нагреве можем меняться спектр мод как продольных, так и поперечных (может быть выход за светочувствтительную область фотоприемника).
Мы используем ЛДФ HAMAMATSU, у них заметный температурный дрейф (разогрев из-за обратного смешения), может меняться и сопротивление с емкостью.

Сообщение отредактировал mdmitry - Sep 29 2007, 16:37

[Herz]

Если у вас размер пятна 7мм, а площадка фотодиода, как я понимаю, 4 мм - может быть дрейф такого порядка. Надо собирать весь свет от лазерного пятна на диод. Важен сам факт, что собиратеся весь свет, а не размер площадки в этом случае. Можно попробовать линзой уменьшить изображение пятна на фотодиоде.
Попробуйте вместо фотодиода впаять конденсатор с емкостью, как у фотодиода, и снова провести проверку на дрейф усилителя.
Попробуйте завести на фотодиод лазерый пучок от светоделительной пластинки (клина), а не отраженный от поверхности. Но свет в любом случае должен собираться весь - при неполном попадании пучка на фотодетектор обычно именно такая картина и наблюдается. Еще необходимо обратить внимание на то, что от фотодиода отражается заметная часть светового потока, если она потом туда-сюда бродит по оптической схеме, тоже может давать такую картину. С этим борются, устанавливая фотодиод под углом.

Хм... Весь свет от пятна собрать на диод не представляется практически возможным... Пучок расходящийся, да во всех направлениях (точнее, во всей полусфере). На некотором расстоянии от мишени стоит дюймового размера коллимирующая линза, в её фокусе - ФД. Всё (или почти всё), что на неё попало - фокусируется на площадку. 10 кв.мм или даже 5 - вроде не так уж мало. Хотя подрегулировать фокус попробую. Самого-то пятна глазом не видно.
А в идеале хорошо бы собрать весь рассеяный свет (и вычесть из него отражённый), но пока не в моих технических возможностях...
ФД так тщательно выставлял перпендикулярно. Может, действительно влияет? Хотя линза двояковыпуклая, не должно бы сильно...
Вы имеете в виду - проверить дрейф усилителя, не подавая на него сигнал? Что-то мне кажется, вблизи нуля вряд ли будет что-то заметно... Или имитировать ФД?
С клином попробую, не очень понятно, правда, как это сделать... Да и принцип-то останется: светоделительная пластина как раз на частичном отражении ведь и основана.

Проверьте поперечные моды лазера, при нагреве можем меняться спектр мод как продольных, так и поперечных (может быть выход за светочувствтительную область фотоприемника).

Может, конечно, на этапе разогрева видно, так и происходит, но в более-менее установившемся режиме сильно "гулять" вроде не должны...

Мы используем ЛДФ HAMAMATSU, у них заметный температурный дрейф (разогрев из-за обратного смешения), может меняться и сопротивление с емкостью.

С Хамамацевскими сравнить было бы интересно, к сожалению, взять их негде. С фирмой связываться категорически расхотелось. А про разогрев из-за обратного смещения ещё слышать не приходилось...
P.S. Интересно, что готовый прибор с такого порядка усилением примерно такого порядка шумами и обладает : Впрочем, пример, наверное, не самый удачный.[attachment=14086:attachment]

Сообщение отредактировал Herz - Sep 29 2007, 18:29

[khach]

С хамамацей работаем. У их фотодиодов действительно наблюдается минимум шумов в районе обратного смещения 2.5-3.5 В Подбирается экспериментально для конкретного диода. Предусилитель конечно должен шуметь меньше ожидаемого шума диода. Поэтому сильно гнаться за большим R в цепи обратной связи нежелательно. Ставим от 100Ком до 500Ком металлопленочные резисторы, а потом при необходимости усиливаем следующим каскадом. Конечно все измерения шумов проводятся в модулционном режиме с использованием синхронного детектирования при обязательной стабилизации источника света отдельной петлей регуляции мощности.

[DS]

Я предлагал померить дрейф усилителя с сигналом, как Вы уже измеряли, только добавить емкость фотодиода. Эта емкость может оказывать приличное влияние на усилитель.
Но, судя по тому, что Вы описали - это норамльное поведение такой системы - 1 % медленных колебаний для рассеянного лазерного света - нормально. Проверить можно, проделав операцию с клином, хотя он в Вашем случае не нужен, сгодится стеклянная пластинка - ведь основная часть пучка не используется. Надо завернуть на фотодиод количество света, эквивалентное рассеяному, но в неискаженном пучке, чтобы его весь собрать на ФД. Тогда можно будет понять, с чем связан дрейф - с сущностью измеряемого света, или со схемотехникой.

[mdmitry]

У нас ЛФД с большим смещением (десятки вольт). Я некорректно высказался по поводу разогрева: фотодиод впаян в плату усилителя и все вместе разогревается. Достаточно сложный алгоритм управления прибором с подстройкой рабочей точки ЛФД (управляемое смещение).
Одни мои коллеги сильно переживают на счет конвекции теплого воздуха в ограниченном объеме перед фотоприемником (у них правда ПЗС-матрица). У Вас не может сказываться турбулентность среды?

[НЕХ]

[цитата]А в идеале хорошо бы собрать весь рассеяный свет (и вычесть из него отражённый), но пока не в моих технических возможностях...

Нет ничего проще - поляризатор с круговой поляризацией, установленный так, что свет лазера и отраженный проходили сквозь него. Отражение почти полностью подавляется.
Продается в фотомагазинах - циркулярный поляризатор. К отражающему объекту устанавливается стороной, крепящейся к объективу.

Со спеклами можно бороться высокочастотной модуляцией 100-300 МГц - стандартное решение в сидиромах.
Обычно выполняется на одном транзисторе. Результат работы сразу виден глазом !

Сообщение отредактировал НЕХ - Oct 1 2007, 09:19

[Alexandr]

А как дело обстоит с температурной стабилизацией питания на приемной стороне?

[Le Fou]

Со спеклами можно бороться высокочастотной модуляцией 100-300 МГц -

?! А как это работает? Почему? Перезапуск генерации сбивает фазу?

[НЕХ]

?! А как это работает? Почему? Перезапуск генерации сбивает фазу?

модулируется длина волны лазера
легко это наблюдается в таком опыте - направляем коллимированный луч на дифракционную решетку и смотрим
"зайчик" первого порядка дифракции - после включения модулятора пятно размазывается по длине.

лазер меняет частоту т.к., например, меняется показатель преломления от проходящего тока.

Сообщение отредактировал НЕХ - Oct 1 2007, 11:14

[Herz]

С хамамацей работаем. У их фотодиодов действительно наблюдается минимум шумов в районе обратного смещения 2.5-3.5 В Подбирается экспериментально для конкретного диода. Предусилитель конечно должен шуметь меньше ожидаемого шума диода. Поэтому сильно гнаться за большим R в цепи обратной связи нежелательно. Ставим от 100Ком до 500Ком металлопленочные резисторы, а потом при необходимости усиливаем следующим каскадом. Конечно все измерения шумов проводятся в модулционном режиме с использованием синхронного детектирования при обязательной стабилизации источника света отдельной петлей регуляции мощности.

Ясно. Кстати, по поводу шума предусилителя, возможно, Вы не правы. Если он выполнен по ТИ-схеме, то лучше именно увеличивать резистор в цепи его ООС, чем "вытягивать" недостающее усиление в последующих каскадах. Дело в том, что увеличение его номинала (и, следовательно усиления) вдвое увеличит шум лишь в корень из двух раз, а удвоение Кус последующего каскада увеличит, естесственно , и шум в дра раза, на что вовремя обратил моё внимание уважаемый DS. Конечно, нужно следить за балансом шумов "тока" и "напряжения".... А что Вы применяете в предусилителе?

Я предлагал померить дрейф усилителя с сигналом, как Вы уже измеряли, только добавить емкость фотодиода. Эта емкость может оказывать приличное влияние на усилитель.
Но, судя по тому, что Вы описали - это норамльное поведение такой системы - 1 % медленных колебаний для рассеянного лазерного света - нормально. Проверить можно, проделав операцию с клином, хотя он в Вашем случае не нужен, сгодится стеклянная пластинка - ведь основная часть пучка не используется. Надо завернуть на фотодиод количество света, эквивалентное рассеяному, но в неискаженном пучке, чтобы его весь собрать на ФД. Тогда можно будет понять, с чем связан дрейф - с сущностью измеряемого света, или со схемотехникой.

Да... хотелось бы меньше.... Всё же, наблюдаемый дрейф, похоже, полностью связан с оптическими эффектами.

У нас ЛФД с большим смещением (десятки вольт). Я некорректно высказался по поводу разогрева: фотодиод впаян в плату усилителя и все вместе разогревается. Достаточно сложный алгоритм управления прибором с подстройкой рабочей точки ЛФД (управляемое смещение).
Одни мои коллеги сильно переживают на счет конвекции теплого воздуха в ограниченном объеме перед фотоприемником (у них правда ПЗС-матрица). У Вас не может сказываться турбулентность среды?

Да нет, старался, чтобы ничего не мешало и стабильнось условий сохранялась максимально. Есть, правда, подозрение о локальном разогреве среды в фокусе лазера. Хотя, мощность-то небольшая... 35 мВт всего.

[цитата]А в идеале хорошо бы собрать весь рассеяный свет (и вычесть из него отражённый), но пока не в моих технических возможностях...

Нет ничего проще - поляризатор с круговой поляризацией, установленный так, что свет лазера и отраженный проходили сквозь него. Отражение почти полностью подавляется.
Продается в фотомагазинах - циркулярный поляризатор. К отражающему объекту устанавливается стороной, крепящейся к объективу.

Любопытно, но как-то непонятно. Как он работает? Ставить его перед объектом? На каком расстоянии? Как он работает в фотографии? Попробую найти о нём что-нибудь...

Со спеклами можно бороться высокочастотной модуляцией 100-300 МГц - стандартное решение в сидиромах.
Обычно выполняется на одном транзисторе. Результат работы сразу виден глазом !

Не знал. Но в моём случае лазерный модуль - законченный прибор, по входу модуляции у него наверняка фильтры, что такие частоты не пропустит точно. Но мысль интересная.

А как дело обстоит с температурной стабилизацией питания на приемной стороне?

Да никак особенно. Но я очень слабо верю, что температурная нестабильность может в такой степени повлиять на результат.

[DS]

При модуляции тока полупроводникового лазера он модулируется и по длине волны. Это эквивалентено резкому расширению спектра, что и устраняет спеклы.
Ну и шумы и дрейф лавинного ФД - дело совсем отдельное, там маленькие изменения температуры могут приводить к заметному изменению чувствительности и уровня шумов.

[Herz]

При модуляции тока полупроводникового лазера он модулируется и по длине волны. Это эквивалентено резкому расширению спектра, что и устраняет спеклы.

Я так понимаю, что они не исчезают, а меняют пространственное положение соответственно текущей длине волны. Интенсивность узлов за счёт этого "размазывается" по некоторому объёму. Но обязательно ли 300-400 МГц? Мои десять с хвостиком килогерц ведь тоже, в принципе, должны приводить к такому же эффекту?

Ну и шумы и дрейф лавинного ФД - дело совсем отдельное, там маленькие изменения температуры могут приводить к заметному изменению чувствительности и уровня шумов.

Как раз это и есть самое интересное. Очень уж скудной документацией они снабжаются. Снять же реальные временные и температурные характеристики - не в моих скромных (в смысле измерительного оборудования) возможностях. Впрочем, у меня даже не лавинные приборы, а обычные pin-диоды, например 6-я серия из этих.

[Herz]

Как вам, например, шумовые параметры такого прибора?
[attachment=14243:attachment]
А ведь позиционируется для серьёзных аппликаций.
Особенно порадовала приписка:

Information in this technical datasheet is believed to be correct and reliable. However, no responsibility is assumed for possible inaccuracies or omission. Specifications are subject to change without notice.

И как с такими производителями работать? И даже не китайцы какие-нибудь....

[DS]

Как вам, например, шумовые параметры такого прибора?
[attachment=14243:attachment]
А ведь позиционируется для серьёзных аппликаций.
Особенно порадовала приписка:

И как с такими производителями работать? И даже не китайцы какие-нибудь....

Приписка такая почти в каждом даташите есть. А в этом кроме, шума, еще и 2 разных пробивных напряжения для одной и той же температуры даны - т.е. подавать можно 75 В, но пробьется типично на 50. Видимо так надо трактовать.

[blackfin]

Выглядит так: ТИ-усилитель на AD825, ...

Вроде как, у OPA656/OPA657 параметры лучше. Или определяющий фактор - цена?

Сообщение отредактировал blackfin - Oct 6 2007, 17:38

[DS]

Вроде как, у OPA656/OPA657 параметры лучше. Или определяющий фактор - цена?

656/657 - это уже в некотором смысле не ОУ. Была уже дискуссия на эту тему. У них нельзя пренебрегать коэффициентом усиления, что для трансимпедансного усилителя критически важно.

[Herz]

Вроде как, у OPA656 параметры лучше. Или определяющий фактор - цена?

Совсем нет, комплектующие могу позволить себе практически любые. Но слышал об этом семействе ОУ не самые лестные отзывы. Настораживает, например, что шумы нормированы для частот выше 100 кГц. С другой стороны, оно и понятно для такой полосы. Мне же он не очень подходит - всё-таки требования несколько другие. Да и OPEN-LOOP GAIN маловат - это, пожалуй, главный недостаток.

P.S. не успел ответить первым.

Сообщение отредактировал Herz - Oct 6 2007, 18:04

[Le Fou]

про спеклы -- если параметры резонатора меняются при такой модуляции не вполне однородно, то и мгновенный спектр уширяется.
Насчет шумов, кстати. Про интегратор не думали? IVC102 или рукотворный?
Хотя мне кажется, что у вас какая-то геометрия плывет. И если это неприемлмо, то дело пахнет оптическим опорным каналом.

Сообщение отредактировал Le Fou - Oct 7 2007, 03:29

[Tanya]

Постепенно добрался, наконец, до реальных измерений. Усилительный тракт собран, спасибо DS за ценные подсказки. Выглядит так: ТИ-усилитель на AD825, полосовой фильтр с парафазным выходом пришлось выполнить на дискретных ОУ OPA727, далее СД на ключике ADG419 и ФНЧ на ОРА277. АЦП AD7738 (16-битный режим, время конверсии 1мс). Усредняю каждые 500 измерений.
Модуляция лазера - синусом 10,8 кГц.
В принципе всё работает, но наблюдается значительный дрейф конечного результата, весьма низкочастотный, особенно первый час работы. Да и затем доходит до 1% от измеряемой величины.
Сначала грешил на нестабильность мощности лазера (встроенного монитора он не имеет), сделал канал контроля, корреляция слабая.
Склоняюсь к мысли о нестабильности фотодиодов.
Пробовал фотодиоды FDS100, PC5-6, PC10-6 (от Silicon Sensor GmbH), разультат практически одинаков.
Модулируемый фототок приличный - порядка 80 нА RMS. Средний, правда, не контролируется.
В связи с этим вопрос - какого порядка стабильности фототока от них можно ожидать без термостабилизации? Может быть, "подсветить" его нужно для стабильности, (ибо внешней посторонней засветки может и не быть) и чувствительность ею модулируется?

Уважаемый г-н. Herz! Я всегда была и остаюсь Вашим самым преданным критиком...
И, как всегда, не могу понять Вашей логики...
Вот и сейчас...
У меня, как всегда, простые пальцевые соображения.
Зачем Вам синусоидальная модуляция? Если Ваш источник света может выдавать некоторую максимальную мощность, то зачем вы ее сознательно(?) стремитесь уменьшить? Ведь, грубо говоря, Вам был бы полезен каждый испущенный, а затем и принятый фотон...
Ну, допустим, очень хочется... Но тогда уж в качестве синхронного детектора нужно применять аналоговый умножитель, так как он будет давить шумы при слабом полезном сигнале.
Не очень понятно, какая у Вас модуляция. Модуль синуса, или синус +1?
Кажется мне, что оптимальной модуляцией д.б. несимметричный меандр. Асимметрия должна определяться отношением засветки к полезному сигналу.
Что касается контроля стабильности приемника, то можно его подсвечивать редкими импульсами, если у Вас имеется стабильный источник...
С пожеланием успехов...

[DS]

Шум трансимпедансного усилителя быстро растет с частотой из-за влияния емкости фотодиода, поэтому принимать 3 и более высокие гармоники бессмысленно - сигнал/шум в лучшем случае не улучшится. Поэтому что модулировать меандром, что синусом - одно и то же, все равно потом надо фильтром выделять основную частоту. То же самое и с использованием перемножителя - поскольку нечетные гармоники уже в сигнале порезаны, все равно, умножать на знак, или на синус. Без умножителя схема получается проще.

[Tanya]

Шум трансимпедансного усилителя быстро растет с частотой из-за влияния емкости фотодиода, поэтому принимать 3 и более высокие гармоники бессмысленно - сигнал/шум в лучшем случае не улучшится. Поэтому что модулировать меандром, что синусом - одно и то же, все равно потом надо фильтром выделять основную частоту. То же самое и с использованием перемножителя - поскольку нечетные гармоники уже в сигнале порезаны, все равно, умножать на знак, или на синус. Без умножителя схема получается проще.

Вроде автор пишет, что у него модуляция - 10КГц, время измерения его АЦП - 1 миллисекунда, а еще потом усредняет по 500 точкам... Так частоту модуляции, значит, можно сильно унизить...

[DS]

Тогда сразу начнутся помехи от топающего по ковру за стенкой кота. Я бы, наоборот, исходно взял килогерц 40. Но и 10 ничего. А ниже 7 фигня будет.

[khach]

Ясно. Кстати, по поводу шума предусилителя, возможно, Вы не правы. Если он выполнен по ТИ-схеме, то лучше именно увеличивать резистор в цепи его ООС, чем "вытягивать" недостающее усиление в последующих каскадах.
.... А что Вы применяете в предусилителе?

Повод простой- мегаомные резисторы в силу конструкции шумят значительно сильнее своего теоретического шума. А металлопленочные мегаомники имеют внушительные габариты и начинают работать как антенна. К тому же мне приходиться работать со значительной постоянной подсветкой и перегружать усилитель по входу нежелательно.
Использую старые добрые LF411- только не спрашивайте почему-так исторически сложилось.
Даташит на диод посмотрел. А зачем используете UV диод? У него же параметры из-за чувствительности в УФ сильно зарезанными получаются. Если работаете в красной области, то и берите обычный диод- достаточно сильно выиграите и по шумам, и по чувствительности.
Дальше, какое обратное напряжение приложено? А то от него многое что зависит..И шумы, и быстродействие, и емкость, и темновой ток.
Модуляция. Я в килогерцы не лезу. Оптимум по шумам в моих условиях - 200-500 Гц. Ну и постоянные времени детектора 1-3 секунды. Если модулируете лазер- обязательно делайте модуляцию с "пьедесталом", т.е не уменьшайте ток лазера ниже порога. Модулируйте "трапецией"-завалите фронты, а не пускайте меандр прямо с цифровых микросхем. Контроль мощности лазера- тоже синхронным детектором по отдельному диоду со светоделителя. Внутренний диод использовать нельзя - он плывет с температурой от нагрева самого лазера. Ну и для совсем параноиков- поставить еще и пик-детектор для контроля верхней точки кривой модуляции.

[DS]

Не знаю насчет килогерца, но на частотах 10 -100 Кгц самые обычные чип-мегаомники шумят расчетно, без избыточного шума. Проверялось многократно.

[Le Fou]

был бы полезен каждый испущенный, а затем и принятый фотон...

Фотодиод далек от счета фотонов, его вместе со входным каскадом можно рассматриват как приемник непрерывного сигнала.
Тогда все определяется спектральной плотностью шумов. Она в районе килогерц должна бы снижаться, после фликкер-шума. Но и сигнала в высших гармониках менадра все меньше. Что получится после интегрирования, неясно--но прорыва не будет точно. Так что детектирование (перемножение с) чистым синусом я понимаю.
А вот зачем модулировать синусом -- мне неясно. Схема модулятора усложняется, а на стороне детектора выигрыша нет. А если детектированеи идет прямоугольником, так и вовсе одни минусы -- и сигнала меньше, и полоса шумов шире..

[Tanya]

Тогда все определяется спектральной плотностью шумов. Она в районе килогерц должна бы снижаться, после фликкер-шума. Но и сигнала в высших гармониках менадра все меньше. Что получится после интегрирования, неясно--но прорыва не будет точно. Так что детектирование (перемножение с) чистым синусом я понимаю.
А вот зачем модулировать синусом -- мне неясно. Схема модулятора усложняется, а на стороне детектора выигрыша нет. А если детектированеи идет прямоугольником, так и вовсе одни минусы -- и сигнала меньше, и полоса шумов шире..

Именно это и имелось в виду... Но все правильные рассуждения должны базироваться на известном только автору отношении сигнала к засветке...

[Le Fou]

базироваться на известном только автору отношении сигнала к засветке...

А как уровень засветки меняет дело?

[deemon]

Тут скорее не уровень засветки должен влиять на результат , а распределение шумов по частоте .

[Tanya]

Тут скорее не уровень засветки должен влиять на результат , а распределение шумов по частоте .

Распределение паразитной засветки, след. шумов, по частоте...

А как уровень засветки меняет дело?

Это продолжение старой ветки... Имеется неконтролируемая засветка, превышающая на порядки полезный сигнал... Вроде так было...

[deemon]

Распределение паразитной засветки, след. шумов, по частоте...
Это продолжение старой ветки... Имеется неконтролируемая засветка, превышающая на порядки полезный сигнал... Вроде так было...

А засветка - это просто свет , или тоже какой-то сигнал со своим спектром ? По идее , ведь и просто освещение фотоприёмника светом должно увеличивать его шумы .

[Le Fou]

А засветка - это просто свет ...

Эх, где бы его взять, просто свет!.. Конечно, всякий источник света шумит и всячески гадит в свой выход. Засветка от солнца также нестабильна--облака, то-сё.

[dxp]

Эх, где бы его взять, просто свет!.. Конечно, всякий источник света шумит и всячески гадит в свой выход. Засветка от солнца также нестабильна--облака, то-сё.

Шум фотодиода не столько зависит от спектра падающего света, сколько от величины фототока, порождаемого засветкой.

[Le Fou]

Шум фотодиода не столько зависит от спектра падающего света, сколько от величины фототока, порождаемого засветкой.

Да я про частотный спектр паразитной засветки. Засветка-то нестабильна обычно.

[Herz]

Прошу прощения за отсутствие. Приятно, что тема обсуждается.

Уважаемый г-н. Herz! Я всегда была и остаюсь Вашим самым преданным критиком...

Большое спасибо. Надеюсь не разочаровать Вас и в будущем...

И, как всегда, не могу понять Вашей логики...
Вот и сейчас...

Логика объясняется просто безграмотностью, борюсь с ней, в том числе, испрашивая советов на форуме. Сказываются пробелы в образовании и длительный перерыв в работе по специальности. Извините за лирическое отступление.

У меня, как всегда, простые пальцевые соображения.
Зачем Вам синусоидальная модуляция? Если Ваш источник света может выдавать некоторую максимальную мощность, то зачем вы ее сознательно(?) стремитесь уменьшить? Ведь, грубо говоря, Вам был бы полезен каждый испущенный, а затем и принятый фотон...
Ну, допустим, очень хочется... Но тогда уж в качестве синхронного детектора нужно применять аналоговый умножитель, так как он будет давить шумы при слабом полезном сигнале.

Пожалуй, Вы правы. рассуждения мои элементарны, "пальцевые", как Вы их называете... Поскольку из полезного сигнала я вырезаю основную гармонику, посторонние мне ни к чему - с расширением полосы растут шумы. Интуитивно возникло желание сделать модулирующий сигнал максимально чистым, чтобы на не разогревать зря лазер и не снижать его КПД. Ведь высшие гармоники несут в себе приличную энергию. Заодно и не подводить её к объекту.
Перемножитель в СД не использую исключительно по причине существенного усложнения реализации.
Хотя, возможно, это моё заблуждение, вызванное косностью мышления и я сделал всё наоборот.

Не очень понятно, какая у Вас модуляция. Модуль синуса, или синус +1?
Кажется мне, что оптимальной модуляцией д.б. несимметричный меандр. Асимметрия должна определяться отношением засветки к полезному сигналу.
Что касается контроля стабильности приемника, то можно его подсвечивать редкими импульсами, если у Вас имеется стабильный источник...
С пожеланием успехов...

Модуляция синусом, наложенным на DC-составляющую. Наверное, это "синус+1". Модулем синуса модулировать не додумался. А что Вы называете несимметричным меандром? Прямоугольник со скважностью, отличной от 2? Или что-то другое?

Повод простой- мегаомные резисторы в силу конструкции шумят значительно сильнее своего теоретического шума.

А последовательно соединять нельзя?

Даташит на диод посмотрел. А зачем используете UV диод? У него же параметры из-за чувствительности в УФ сильно зарезанными получаются. Если работаете в красной области, то и берите обычный диод- достаточно сильно выиграите и по шумам, и по чувствительности.

Да он лишь "расширен" в область UV, остальные параметры у него обычные. Хотелось большей равномерности в моей области и меньшей чувствительности к IR. А что ещё взять, если Хаммамацы нет?

Дальше, какое обратное напряжение приложено? А то от него многое что зависит..И шумы, и быстродействие, и емкость, и темновой ток.

Смещение -7.5В. Нормально, по-моему.

Модуляция. Я в килогерцы не лезу. Оптимум по шумам в моих условиях - 200-500 Гц. Ну и постоянные времени детектора 1-3 секунды. Если модулируете лазер- обязательно делайте модуляцию с "пьедесталом", т.е не уменьшайте ток лазера ниже порога. Модулируйте "трапецией"-завалите фронты, а не пускайте меандр прямо с цифровых микросхем. Контроль мощности лазера- тоже синхронным детектором по отдельному диоду со светоделителя. Внутренний диод использовать нельзя - он плывет с температурой от нагрева самого лазера. Ну и для совсем параноиков- поставить еще и пик-детектор для контроля верхней точки кривой модуляции.

Это ясно, спасибо. Я выбрал частоту модуляции относительно высокой ещё и потому, чтобы выделить сигнал не потребовался полосовой фильтр с аномальной добротностью.

А вот зачем модулировать синусом -- мне неясно. Схема модулятора усложняется, а на стороне детектора выигрыша нет. А если детектированеи идет прямоугольником, так и вовсе одни минусы -- и сигнала меньше, и полоса шумов шире..

Почему? Там уже всё более-менее вырезано...

Распределение паразитной засветки, след. шумов, по частоте...
Это продолжение старой ветки... Имеется неконтролируемая засветка, превышающая на порядки полезный сигнал... Вроде так было...

паразитную засветку мне удалось, кстати, значительно снизить, поработав с оптикой. Сейчас она превышает сигнал лишь в разы.

Да я про частотный спектр паразитной засветки. Засветка-то нестабильна обычно.

Да, свет, "обычный". Солнечный + лампы накаливания, от остального стараюсь экранировать. Удивляет, что дрейф инфранизкочастотный, с засветкой мне связать его трудно, хотя...

[dxp]

Да я про частотный спектр паразитной засветки. Засветка-то нестабильна обычно.

В общем, да. Только это будет уж очень низкочастотный шум.

[Tanya]

Прошу прощения за отсутствие. Приятно, что тема обсуждается.
Большое спасибо. Надеюсь не разочаровать Вас и в будущем...
Логика объясняется просто безграмотностью, борюсь с ней, в том числе, испрашивая советов на форуме. Сказываются пробелы в образовании и длительный перерыв в работе по специальности. Извините за лирическое отступление.
Пожалуй, Вы правы. рассуждения мои элементарны, "пальцевые", как Вы их называете... Поскольку из полезного сигнала я вырезаю основную гармонику, посторонние мне ни к чему - с расширением полосы растут шумы. Интуитивно возникло желание сделать модулирующий сигнал максимально чистым, чтобы на не разогревать зря лазер и не снижать его КПД. Ведь высшие гармоники несут в себе приличную энергию. Заодно и не подводить её к объекту.
Перемножитель в СД не использую исключительно по причине существенного усложнения реализации.
Хотя, возможно, это моё заблуждение, вызванное косностью мышления и я сделал всё наоборот.

Модуляция синусом, наложенным на DC-составляющую. Наверное, это "синус+1". Модулем синуса модулировать не додумался. А что Вы называете несимметричным меандром? Прямоугольник со скважностью, отличной от 2? Или что-то другое?

А последовательно соединять нельзя?
Да он лишь "расширен" в область UV, остальные параметры у него обычные. Хотелось большей равномерности в моей области и меньшей чувствительности к IR. А что ещё взять, если Хаммамацы нет?
Смещение -7.5В. Нормально, по-моему.

Это ясно, спасибо. Я выбрал частоту модуляции относительно высокой ещё и потому, чтобы выделить сигнал не потребовался полосовой фильтр с аномальной добротностью.
Почему? Там уже всё более-менее вырезано...
паразитную засветку мне удалось, кстати, значительно снизить, поработав с оптикой. Сейчас она превышает сигнал лишь в разы.
Да, свет, "обычный". Солнечный + лампы накаливания, от остального стараюсь экранировать. Удивляет, что дрейф инфранизкочастотный, с засветкой мне связать его трудно, хотя...

Да, идем по второму кругу...
Я бы... примерно след образом попробовала.
Частоту модуляции 25 или 12.5 Герц - если Вы, Герц, в 50 Герцовой стране живете.
Детектор бы примерно такой...
Дополнительный фотодетектор прямо на лазер с аналогичным усилителем. Но включенный обратным образом. Далее сигнал на умножающий ЦАП. С него сигнал на суммирующий интегратор, на второй вход которого идет сигнал с усилителя полезного сигнала. Таким образом, управляя ЦАПом, добиваемся нуля на выходе интегратора...
Можно еще параллельно основному фотодетектору поставить еще один встречным образом (его емкость будет значительно меньше), на который подавать вредный сигнал - так мы в зародыше придушим импульсные световые помехи. Датчик вредного сигнала должен быть немного отстроен от лазерной длины волны...
Плюсы такого подхода - не нужен ацп хороший - можно с выхода интегратора на микроконтроллерный АЦП. Форма модуляции тоже не волнует никого... Код, подаваемый контроллером на ЦАП и есть искомый коэффициент отражения. По поводу смещения объекта... У астрономов похожие проблемы решаются с использованием, кажется, так наз. "полевой линзы" - за точность термина не ручаюсь...
Нужны еще вредные советы? Не стесняйтесь...

[DS]

Дрейф скорее всего связан с тем, что не собирается весь свет. При этом небольшие изменения в фазах различных отраженных и рассеяных лучей создают движущуюся интерференционную картину, в центре фотоприемника она несущественна, а вот на краях чувствительной области детектора может приводить к медленному дрейфу из-за смещения максимумов/минимумов. Это може оказаться фундаментальным ограничением метода.
Менее вероятный вариант - наличие шума на частоте модуляции. Это проверяется экспериментом с выключенным лазером и проверкой корреляции амплиты дрейфа с мощностью излучения.
Мегаомные резисторы шумят при наличии на них напряжения, в ТИ усилителе на нем нулевое напряжение. Аналоговый перемножитель в данной схеме даст примерно такие же результаты, а схема будет сложнее.
Модулировать, действительно, можно было и меандром, но при этом средняя мощность лазера чуть выше, правда не уверен, что это может сказаться на результате.

[Le Fou]

в центре фотоприемника она несущественна, а вот на краях чувствительной области

Кстати, вообще полезно проверить ход лучей и убедиться, что нигде нету выхода пучка за края оптичесой системы. Это легко можно сделать белой бумажкой, приложив ее к зеркалу-линзе и т.п. со стороны падения лучей. Увидите, какая именно часть оптики работает.
Про дрейф--я бы еще заподозрил "проползание" интенсивной засветки в рабочий диапазон через нелинейность входного каскада.
Кстати. А дрейф имеется, если перекрыть луч заслонкой и заставить схему работать при заведомом отсутствии света на приемнике?

[DS]

Кстати, вообще полезно проверить ход лучей и убедиться, что нигде нету выхода пучка за края оптичесой системы. Это легко можно сделать белой бумажкой, приложив ее к зеркалу-линзе и т.п. со стороны падения лучей. Увидите, какая именно часть оптики работает.
Про дрейф--я бы еще заподозрил "проползание" интенсивной засветки в рабочий диапазон через нелинейность входного каскада.
Кстати. А дрейф имеется, если перекрыть луч заслонкой и заставить схему работать при заведомом отсутствии света на приемнике?

Вы поднимите все темы Herzа по поводу его системы, мы тут это уже с год обсуждаем. У Вас будет более-менее четкое представление о том, что меряется. А то уже не знаю по какому кругу все идет.

[Herz]

Да, идем по второму кругу...
Я бы... примерно след образом попробовала.
Частоту модуляции 25 или 12.5 Герц - если Вы, Герц, в 50 Герцовой стране живете.
Детектор бы примерно такой...
......
Нужны еще вредные советы? Не стесняйтесь...

Спасибо! Конечно, не откажусь, всегда интересно взглянуть на проблему под разными углами. Над предложенным обязательно подумаю, сразу ниасилил, как сейчас говорят. Особенно подкупает возможность обойтись без хорошего АЦП. Пока не понял, за счёт чего. Уточните, пожалуйста:

Дополнительный фотодетектор прямо на лазер с аналогичным усилителем. Но включенный обратным образом.

"включенный обратным образом" - это фотодиод или... "аналогичный усилитель"?

Можно еще параллельно основному фотодетектору поставить еще один встречным образом (его емкость будет значительно меньше)

- как это? Встречно-параллельно? А смещение?

на который подавать вредный сигнал - так мы в зародыше придушим импульсные световые помехи. Датчик вредного сигнала должен быть немного отстроен от лазерной длины волны...

Вы меня не первый раз наталкиваете на эту мысль, я помню. Конечно, заманчиво из сигнала вычесть помеху и получить результат. Но до сих пор ума не приложу, как это реализовать технически. В фокусе объектива помещается только один фотодиод. Значит, второй придётся вынести за пределы оптики - это сразу поставит их в слишком разные условия. И по чувствительности, и по обзору, и по другим параметрам. Поставить рядом с основным дополнительный детектор со своей оптикой, но дополненной светофильтром, вырезающим лазерную длину волны, теоретически можно, но дорого и, главное, не уверен, что оправдано. Сейчас не об импульсных световых помехах речь...

По поводу смещения объекта... У астрономов похожие проблемы решаются с использованием, кажется, так наз. "полевой линзы" - за точность термина не ручаюсь...

Тоже, простите, не понял, что имеется в виду. Вот что нашёл о полевой линзе в Словаре астронома-любителя:

Полевая линза - передняя линза окуляра, на которую падает свет, собранный объективом.

Наверное, о чём-то другом речь?

[Tanya]

Спасибо! Конечно, не откажусь, всегда интересно взглянуть на проблему под разными углами. Над предложенным обязательно подумаю, сразу ниасилил, как сейчас говорят. Особенно подкупает возможность обойтись без хорошего АЦП. Пока не понял, за счёт чего. Уточните, пожалуйста:
"включенный обратным образом" - это фотодиод или... "аналогичный усилитель"?

- как это? Встречно-параллельно? А смещение?
Вы меня не первый раз наталкиваете на эту мысль, я помню. Конечно, заманчиво из сигнала вычесть помеху и получить результат. Но до сих пор ума не приложу, как это реализовать технически. В фокусе объектива помещается только один фотодиод. Значит, второй придётся вынести за пределы оптики - это сразу поставит их в слишком разные условия. И по чувствительности, и по обзору, и по другим параметрам. Поставить рядом с основным дополнительный детектор со своей оптикой, но дополненной светофильтром, вырезающим лазерную длину волны, теоретически можно, но дорого и, главное, не уверен, что оправдано. Сейчас не об импульсных световых помехах речь...

Тоже, простите, не понял, что имеется в виду. Вот что нашёл о полевой линзе в Словаре астронома-любителя:
Наверное, о чём-то другом речь?

Сразу извинюсь за свой склероз - линза Фабри - http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=11591...uri=node15.html
А без хорошего АЦП можно обойтись, так как интегратор с компенсацией и есть хороший АЦП...
Обратным образом - имелось в виду обратное включение второго фотодиода. Таким образом, импульсы с основного усилителя и второго будут иметь разный знак. Можно, конечно, поставить еще демодулятор (+1/-1) - выпрямитель, синхронный детектор - как угодно назовите... перед интегратором чтобы убрать постоянную составляющую от засветки, а может конденсаторы - как получится.
По поводу помех от засветки. Надо бы знать ее типичное и возможное поведение... Этим будет определяться наилучшая частота модуляции.
По поводу встречно-параллельно, то да, имелось в виду, что дополнительный с меньшей емкостью и чувствительностью, так как спектр можно пошире сделать. Смещение к нему, естественно, свое. Может, оно уже и не нужно, раз Вам удалось сильно убить фоновую засветку... А по поводу того, что два приемника нельзя в фокусе поставить, так есть светоделители... Например пластиночка под углом... Или рядом - будет немного вбок смотреть... Или пусть второй смотрит на светофильтр первого со стороны падающего потока. Светофильтр как раз и отражает то, что не пропускает... Тут от конструкции надо плясать.

[deemon]

По поводу помех от засветки. Надо бы знать ее типичное и возможное поведение... Этим будет определяться наилучшая частота модуляции.

Интересно , а может ли тут помочь применение шумоподобной модуляции , и соответственно демодуляции ?