Предусилитель для фотодиода в сцинтилляционном детекторе, Замучились мы с иксами, запутались в нулях Опции

[TheMad]

Доброе %время_суток%, all!

А не делал ли кто-нибудь из здесь присутствующих предусилитель к фотодиоду, используемому в сцинтилляционном детекторе? Что-то странные вещи происходят, почти ничего кроме шума не видно. Книги по вопросам трансимпедансных усилителей попадаются или слишком простые с очевидными вещами, или сплошь теоретические.

Дано: есть pin-фотодиод http://www.detector.org.ua/pin_photdiode_5x5.html , к нему прилеплен кристалл CsI(Tl) размером 10*10*40мм. Вся конструкция неплохо защищена от внешней засветки. При напряжении смещения 40В ёмкость фотодиода порядка 20 пф. Максимальное обратное напряжение его же - 60В. Время высвечивания кристалла - порядка 0.5 мкс.

Экспериментальная часть: Берём малошумящий ОУ с подходящими характеристиками из имеющихся в наличии - это оказался AD8671 (GBP=10 МГц, шум 2.8 нВ\Гц^0.5). Делаем схему как на рисунке. Для тестирования первого каскада даём на фотодиод рабочее смещение (40 вольт) и на инверсный вход того же ОУ загоняем через резистор 1 МОм с генератора меандр с частотой килогерц 100. Убеждаемся что приемлемой длительности фронтов на выходе первого ОУ (ок. 0.25 мкс) можно добиться с резистором в цепи обратной связи сопротивлением 100 кОм с компенсирующим подстроечным конденсатором, вставшим где-то на 2.5 пф. В разных источниках упоминается оценка что при прилёте частицы в кристалл от фотодиода следует ожидать заряда порядка 1 фКл, поэтому при длительности импульса 0.5 мкс и резисторе ОС 100 кОм на выходе ОУ следует ожидать импульса амплитудой 200 мкВ. Так как 200 мкВ - не тот сигнал, что наблюдают на осциллографе настоящие рыцари щупа и паяла, было решено дополнительно усилить его в 24 раза с помощью ОУ типа AD8610 (GBP=25 МГц).

Наблюдения: Вижу шумовую дорожку шириной около 3 мВ. Редко (несколько раз в минуту) проскакивают импульсы амплитудой миливольт до 15-20, но редкость их появления настораживает: кристалл ненамного больших размеров, прилепленный к ФЭУ, от естесственного радиационного фона даёт импульсов 50 в секунду. Конечно, гамма-спектр радиационного фона имеет максимум в районе порядка 100 кЭв и возможно что он тонет в шумах фотодиода и усилителя, и вижу я редкие вспышки порождаемые частицами с более высокой энергией. Источника чтобы это подтвердить или опровергнуть нету.

И вот тут-то меня не покидает мысль что я что-то неправильно делаю и не должно оно так шуметь. Кто имел опыт работы с этими вещами - поделитесь немного.
Спасибо!

Эскизы прикрепленных изображений

 

[НЕХ]

эта работа для BF862
по марке транзистора легко найти и схемы включения для решения задачи...

[stells]

эта работа для BF862
по марке транзистора легко найти и схемы включения для решения задачи...

вот эта например?:

[TheMad]

вот эта например?:

Интересно зачем они включили полевик истоковым повторителем?

Вот тут посмотрите, там есть довольно подробные характеристики для нескольких полевиков. Но используют самые разные с близкими результатами. Тут отбор важнее чем тип полевика.

Ну и по сайту походите, там много полезного.

Спасибо огромное, действительно интересно.
Непонятно почему они за эту микросхемку берут $525. Основной же вклад в шум вносит полевик...

[rudy_b]

Да, кстати, видел хороший отзыв о BF862, но с ним не работал. Он есть в ЧипДипе, можете поиграться.

[DS]

Да, кстати, видел хороший отзыв о BF862, но с ним не работал. Он есть в ЧипДипе, можете поиграться.

Он не без наколки, но если уметь готовить, можно получить шум около 1 нв/sqrt(Hz). Если вот так прям взять и заменить, скорее всего, будет хуже.

[TheMad]

Он не без наколки, но если уметь готовить, можно получить шум около 1 нв/sqrt(Hz). Если вот так прям взять и заменить, скорее всего, будет хуже.

Нельзя ли ознакомиться с рецептом приготовления от шеф-повара?

[DS]

Нельзя ли ознакомиться с рецептом приготовления от шеф-повара?

Для этого надо весь дизайн публиковать, с топологией вместе. Меня на работе поколотят.

Вам этого и не надо. Могу только сказать, что в приведенной stells схеме не очень похоже на 1.5 нв. т.к. 1 КОм - это уже 4 нв/sqrt(Гц).

В вашем случае можно ограничиться 8610, если, конечно, его хватит по быстродействию - у меня есть сомнения. Ваши мегомы для коротких импульсов не работают, только стабилизируют режим по постоянному току. Реально усиление происходит на Z конденсатора, которое раз в 100 меньше 50 Мом. Мегомы только увеличивают шумы на низких частотах. Уислитель на полевике с 4 Ком в нагрузке еще снижают быстродействие, так что по импуульсам схема может вообще работать как бы без обратной связи.

Полевик здесь скорее можно применить для компенсации емкости фотодиода, если необходимо.

[Timmy]

Вам этого и не надо. Могу только сказать, что в приведенной stells схеме не очень похоже на 1.5 нв. т.к. 1 КОм - это уже 4 нв/sqrt(Гц).

На входе ОУ там висит не 1КОм, а примерно 30 ом - выходное сопротивление полевика с общим стоком. К 1nV/sqrt(Hz) от полевика квадратично прибавляется ещё столько же от ОУ - и вот вам 1.5nV/sqrt(Hz). Для снижения шумности лучше использовать включение с общим истоком, тогда на стоке сигнал будет усилен по напряжению хотя бы раз в 5, и шумы ОУ ему уже не страшны.