строю лазерный модуль на полупроводниковом лазере - лазер в непрерывном режиме, нужно добится максимально узкой спектральной палки, ток - 100-300ма. задача сводится к стабилизации тока и температуры. с температурой вроде как все утрамбовалось, расчитываю в скорости получить короткую стабильность тисячная градуса. а вот с током много вопросов. шум генератора тока приводит к фазовому шуму лазера и уширению спекта. для опытов сделал стенд на основеADN8810 с опорником REF198ES - результат не впечатляеет... есть желание на дискретных элементах попробывать. прошу поделится опытом и мыслями. нужго минимально возможноая спектальная плотность шума тока...
спасибо.

попробовать добавить между источником тока и лазером пассивный LC фильтр с достаточно низкой частотой среза.
имхо.

это само собой разумеется. вообще сунулся - жесть, везде где ловятся наноамперы... например первый стендик я сейчас только как отладку для программирования микроконтроллера использую - выжал из нее все. в связи что цепи питания контроллера, драйвера тока диода и цепей термостабилизации имеют один источник - все дребежжит и помехи по питанию гонит. в свете лазера виду как шим от терморегулятора так и 168 мгц от контроллера. ну это было ожидаемо, чего я не ожидал так это того что в свете лазера обнаружу АМ-сигнал ближайшей теле вышки
очевидно
1. нужно разделить источники питания, предполагаю раздать через три TPS54122 и связать их входы в одной точке где разъем питания. питание всех трех кусков тоже развеси.
2. микроконтроллер с цапом драйвера тока связать через оптопары.
3. все экранировать в трех отдельных секциях - иначе радиоприемник а не лазер получается.
4. стандартный подход как пропихывают буржуи с термрконтроллером TEC на шим ака MAX1968 и иже с ними в топку. сейчас на этой микросхеме сделано - разумеется ШИМ в мешке не утаиш - такое ощущение что он в эфир и земляной полигон излучает больше чем в пельтье элемент. буду делать линейный вариант - пусть греецца нежалко пока.
5. правильная топология платки критична как никогда.

это второй стенд я переделывать буду так.
тем не менее вопрос по методологии правильного построения правильного генератороа тока стоит для меня неразрешенный. опыта нет по устройствам в которых наноампперные шумы и токи критичны.

Попробуйте самый расточительный по теплу вариант. Стандартный генератор тока...
Примерно так - хороший малошумящий ОУ (тут Вам придется выбрать с нужной полосой), умощненный биполярным транзистором. Примерная схема - На + вход - опорное с хорошего малошумящего источника, на инвертирующий - сигнал с шунта. Если не нравится то, что один конец диода не на земле, возможны другие варианты. Но Вы тут упоминали наноамперы... 100 нА - одна миллионная от 100 мА.

Мне кажется, что без ОС с выходного сигнала (луча) лазера тут ловить нечего.

до этого еще далеко. в данном контексте надо понимать что обратной связью через дискриминатор - например пи шифтрутая решентка на волокне или еще чтонибудь можно зстабилизировать центральную длинну волны. но перед этим нада фазовый шум самого лазера зажать - это стабильность температуры и тока питания диода.

LMH6525 output noise 0.24 nA/√Hz , на порядок лучше чем ADN8810.

с долговременной стабильностью можно потом отдельно бороться.

судя по структурной схемке из даташита - выход не является генератором тока. но нада почитать внимательнее.

У TI есть апп.ноут, гляньте на всякий случай:
http://www.ti.com/lit/an/sbea001/sbea001.pdf

спасибо

А если поставить лазер в цепь ООС малошумящего ОУ? И получите именно стабилизацию тока. А для задания опорного напряжения - малошумящий источник, которые для ЦАПов и АЦП пользуют.

Как такой вариант?

Плохо, что не указано желаемой величины шума тока, которую требуется достигнуть.
"добится максимально узкой спектральной палки" - это есть абстракция, и искать решения можно абстрактно долго.

Я бы, всётаки, опредилился бы сначала с численным значением тока шума, а потом уже можно:
- выбрать метод стабилизации и комплектуху (как не крути, система получается замкнутая с ОС, поэтому ТАУ-в помощь и всё рассчитывается легко,
- питание,
- разбиение системы на экранированные блоки,
- приплюсовать знание физики приборов(а именно, от чего зависят шум 1/f, дробный шум, и тд..), и общие принципы построения малошумящих систем.

Как-то так. Поскольку задача абстрактная то и совет тут может быть только абстрактный.

то что на структурной схеме нарисованы треугольнички еще не значит что это просто ОУ.
там transconductance усилители, с входным сопротивлением 500 Ом и с коэффициентами 150, 180, 400 мА/мА для разных каналов, которые можно объединять. так что это генератор тока.

использовал для питания DFB полупроводникового лазера, но его еще и дёргать периодически надо было, так что спектральные характеристики в переходные процессы при вкл/выкл всё упиралось, но на постоянном токе никаких чудес вроде не было, штатные, уже не вспомню сколько КГц/МГц, полосы из даташита на лазер.

Абсолютно так. Причем как бы еще не оказалась, что запрашиваемая величина конфликтует с фундаментальными ограничениями - типа дробового шума, шума и т.п.

Ширина спектральной линии полупроводникового лазера с током практически не связана. Тем более, что большинсово лазеров многомодовые, т.е генерят на нескольких соседних длинах волн. Тут внешний оптический резонатор нужен для стабилизации режима. Так что достаточно обычного линейного стабилизатора тока, возможно с функцией фильтра, если перед стабилизатором стоит импульсный источник- лазера очень чувствительны к "иглам" от импульсников.

Биполярный не годится из-за ограничения Rвых. ОУ в какой-то степени этот эффект скомпенсирует, но вместо биполярника лучше использовать полевик или каскод биполяр+полевик.

нет ! связана.
типов полупроводниковых лазеров много, и все они в разной степени реагируют шириной спектра на флуктуации тока. лазер не связной. если у Вас связной фонарь с шириной десятки мегагерц или еще дешевле то тогда может практически и не зависит.
по информации производителя для того чтобы выжать из лазера его предел по фазовым шумам нужшо генератор тока со спектральной плотностью шума тока в доли наноампер на герц в полосе 0.1....100 герц

Я так не думаю. Выходное сопротивление у эмиттерного повторителя какое? Да и не мешает оно тут.


Получается 10 нА шум...(на корень из полосы умножила).
Тут я уже писала... Где взять такие резисторы? И все придется термостатировать.
Вот пусть шунт... будет 3 - 10 Ом. Порядок такой... Напряжение на нем будет 3 вольта. Ну... где-то близко может быть. 3 микровольта - 1 одна миллионная - 300 нА. Можно найти приведенный ко входу шум меньше. Но шунт ведь греется...

0.1 * sqrt(100) = 1нА

с долговременной стабильностью надо не термостабилизацией бороться а обратной связью и стабилизацией по длине длине волны.
и если требумые 100pA/sqrt(Hz) поможить на 10 Ом шунта получится 1нВ/Гц, что довольно мало, не совсем уж мало, конечно, но усилитель какой попало уже не поставишь.

вот (http://www.physics.byu.edu/faculty/durfee/Publications/Erickson08au.pdf) городили-городили драйвер на малошумящих усилителях, в результате получили те же несколько нА/Гц при 1МГц Нажмите для просмотра прикрепленного файла что и lmh6525 Нажмите для просмотра прикрепленного файла

а почему бы полосу пассивными фильтрами у самого диода не зарезать до герцов, например, раз нужны низкие шумы?

Речь о генераторе тока. Ключевой параметр - Rвых, которое в идеале стремится к бесконечности. Чем меньше Rвых, тем больше влияние паразитных пульсаций, шумов и т.п. на стабильность режима лазера.

Абсолютно с Вами согласна. Только если шунт стоит в эмиттере, то...
А что Вы предлагаете?


Я под долей предполагала половину.


В низкочастотной области обычно преобладает шум с неравномерным распределением мощности от частоты.


Какой фильтр Вы предлагаете?

с НЧ надо бороться имея обратную связью по длине волны.

здоровенную индуктивность.

Это чревато. С сердечником будет шуметь доменами. А бессердечную будут бессердечно посещать механические шумы и наводки, порождающие токовый шум. Трудно сделать два последовательных стабилизатора тока.

складывается схемка не блещущая новизной.
питание 3 вольта от отдельного стабилизатора.
в диодной цепи диод(1.6 вольта) токоизмерительный шунт из нихрома(0.1 вольт) низковольтный мосфет( остаток напряжения). с шунта инструментальным усилителем с малым напряжением смещеня выдавать сигнал на операционник который будеи упрвлять мосфетом.
инструментальник выбрать с малым уровнем напряжения смещения.

как то так.
хотелось бы понять от чего зависит выбот типа транзистора мосфет или биполярник. если я правильно понимаю транзистор практически не нашто не влияет есои он не является совершенной какашкой

c 1 омным шунтом несколько нВ/√Гц усилителя в полосе < 10Гц превратяться в несколько нА/√Гц, и это только усилитель.
сами говорили что надо на порядок меньше.

Подождать, когда ТС конкретизирует идеи в черновике Э3

хочется. не получается меньше...

абсурд требований к точности заключается в неверно выбранной методологии и методах её достижения...

нет никакой абсурдности. в шапке поста я указал что небходимо запитать диод лазера генератором тока который будет иметь минимально возможную мощность шума. сам производитьель дает рекомендацию что ско не долно превышать еденицы наноампер. нет у меня опыта и возможности задать численно спектральную плотность шума тока, и из нее синтезировать схему топологию и тд. я думаю ни укого нет. поэтому запостил с вопросом а как вооще умные люди такие задачи решают.
методологии никакой нет. я ожидаю что Вы мне ее посоветуете задача для меня новая.

Я конечно не рискну причислять себя к умным людям - оно и заметно, - но задачу стабилизации тока обычно решал так:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Обратите внимание, что нагрузка присоединена непосредственно к выходу ОУ. Так что качество стабилизации определяется ОУ.
Транзистор ни на что особенно не влияет - он только разгружает выходной каскад ОУ, так как трудно найти ОУ с выходом до 300 мА и одновременно другими высочайшими параметрами.

R2 выбирается таким, чтобы на потребляемом ОУ токе в покое, падение на нем было бы несколько меньше порога открывания транзистора. Для большинства ОУ получается в районе 47 Ом.
Транзистор ставим в то или другое плечо, чтобы корпус диода был на выходе (уменьшение наводок).

R1 - шунт, определяющий Iд = Uцап / R1

Правда я наноамперы не ловил, но в остальном такая схема работала лучше всех других вариантов.
Непосредственно на входы можно включить равные последовательные резисторы для компенсирования дрейфа.
Берите сверхмалошумящий ОУ "zero drift". (Посоветовать не могу, слабо знаю современную элементную базу.)
И прецизионный резистор для шунта.

А качество опорного сигнала от ЦАП-а - я думаю Вы уже достигли нужного.

Ну никак не получается.
Вот спросили бы Вы по-русски...
А при таком пренебрежении всеми нормами языка просто не знаешь, как и ответить...

Точно,что <такая схема работала> лучше вот буквально всех других вариантов ? Схема на ОУ и биполяром на выходе даже с опорой от ЦАП даёт ошибку в токе стабилизации на величину базового тока транзистора,который (базовый ток) нелинейно зависит от величины тока коллектора,напряжения на коллекторе,температуры и так далее и тому подобное...

Вот совершенно не зря в этой теме уже писали,что полевик лучше.

Задача поддержания именно высокостабильного тока через лазерный диод нетривиальна,и зачастую,а может быть и всегда при экстремальных требованиях к точности поддержания тока,помимо необходимости решения ряда схемотехнических (и трассировочных) проблем в устройстве возникает необходимость в линейном (в смысле не ШИМ) термостабилизаторе с длительным выходом на рабочий режим

имя тока так толком и не назвал ТС

Очень поверхностный взгляд. Вы не дали себе труда не только подумать как же работает представленная схема, но даже пост прочитали по-диагонали. Ведь я открытым текстом даже подчеркнул, что нагрузка имеет прямое соединение с выходом ОУ. При чем тут базовый ток транзистора.

Мышление готовыми штампами конечно облегчает нам жизнь, но в особых случая надо все-таки приняться и поразмыслить.

Вы правы,базовый ток тут ни при чём.Действительно стал жертвой диагонального мышления и неспособности к чтению открытого текста - затмение какое-то нашло. Надеюсь,будет мне уроком

Ничего страшного, эту схему даже эмуляторы адекватно моделировать не способны. По крайней мере Протеус7 и Мультисим тоже подпадают под диагональное мышление)))))
Но на деле она отлично работает. Было встречено мной у Агеева где-то на рубеже 70-х и 80-х, я думаю он первый и применил с ОУ.

Мне думается, что для снижения шумов здесь нужно сначала уйти от цифрового к аналоговому управлению.
Цифровой формат изначально ограничивает возможности совершенствования схемы и шумовой предел. Или нет?

В данном случае, мне кажется, что нет.
ЦАП здесь вырабатывает опорный сигнал, в основном постоянный. Так что шумов квантования мы не получим.
А что еще? Как сформировать регулируемый опорный сигнал? Очевидно всё тем же образцовым источником, я других способов не знаю.
А регулировать как? Ручкой переменного резистора? Риторический вопрос. Все равно вначале ЦАП будет.
Так не лучше ли выкинуть все промежуточные звенья и регулировать от ЦАПа сразу? - что и предложил автор.

Дело в другом: через ЦАП может идти наводка от работы других элементов цифровой части. Так это решается гальванической развязкой кода.

А какую схему аналогового управления хотели предложить Вы?

Слишком мало исходных данных, чтобы предлагать что-либо конкретное. В теории же можно заменить цифровые принципы аналовыми принципами управления на основе АВМ или ОУ. Тут всё зависит от функциональной насыщенности и назначения. Не будучи большим спецом в АСУ, далее конкретизировать не буду.

На счёт шумов ИОН и ЦАП: Они даже в статическом режиме шумят значительно сильнее тех же сверхмалошумящих ОУ, я уж не говорю о транзисторах. Ну и если докопаться совсем глубоко, то здесь более приемлемо управление током петлёй АПЧ или ФАПЧ, которая автоматически "убивает", точнее - компенсирует избыточные шумы цифрового управления.

Так я и предлагаю стабилизатор на основе ОУ.

О подстройке какой частоты Вы говорите? Может я чего не понял, но мне показалось, что лазер у автора работает на постоянном уровне тока.
А ЦАП нужен для его исходного задания.

Но цифровое управление происходит, как можно было понять, только в процессе смены режима, задания нового тока, т.е. в неактуальные моменты.
А дальше лазер горит на стабилизированном токе, и никаких цифровых импульсов в это время на ЦАП вообще не подается (он их не требует).
Это ясно не только из контекста, но и по принципам функционирования ЦАПов.

Так какая же петля автоподстройки частоты тут тогда нужна?..

на сегодняшний день потуги закончились тем что интерферометр дал оценочное значение дрейфа по частоте около 5 мгц/сек. после ликвидации помех изза шима термоконтроллера обнаружены были помехи блока питания, после ликвидации блока питания и замены его на свинцовый аккамулятор борода фазового шума сильно уменшилось, стала видна в интенсивности света наводка 50 гц.... к сожаленю заэкранировать пока нет возможности.

В вашем случае ОУ - лишь часть схемы.

О подстройке частоты излучения полупроводникового лазера, который лишь в идеале является оптиическим квантовым генератором, преобразующее энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Из постов ТС видно, что спектр лазера довольно сильно размыт, а сузить его можно различными способами, в т.ч. автоматической подстройкой фазы к базовой частоте (длине волны) лазера.

Самым малошумящим ЦАПом является ЦАП, основанный на R-2R-матрице. Исходя из разрядности, вы можете посчитать какие шумы вносит вся резисторная матрица. Кроме того, прибавятся шумы ИОНа, коммутатора и буферного усилителя ЦАПа. Это не шумы квантования, а шумы схемы управления, находящейся в статическом режиме

Классическая, но очень хитрая. СВЧ-опора умножается до частоты оптического диапазона, очень близкой к базовой частоте лазера, потом она как-то суммируется-вычитается с частотой лазера. Разностная частота, находящаяся в СВЧ-диапазоне сравнивается с СВЧ-опорой на фазовом детекторе, который подстраивает фазу лазера. Что-то такое видел у американцев в научной статье лет пять назад, сейчас уже не найду. Я в этом деле не спец, поэтому, если этот вариант интересен, надо отдельно копать. Там может статься, что овчинка выделки не стОит...

Это температурный дрейф от прогрева. При изменении тока лазер "перепрыгивает" скачком на соседний оптический мод. Или светят одновременно два-три соседних мода, конкурируя друго с другом по амплитуде и от этого страшно шумят. Можете спектр в высоком разрешении привести? Для борьбы с конкуренцией мод иногда специально подмешивают в питание синус и потом усредняют результаты синхронно с модуляцией.

Интересно, каким образом это можно сделать? Я бы отказался от лазера, если бы у меня был такой умножитель...

С помощью квантового умножителя частоты. Например Нажмите для просмотра прикрепленного файла

А мощность как усилить? Вообще, там была даже не НИОКР, а НИР, в области оптики.
Я не думаю, что это где-либо применяется в практической электронике в настоящее время.
Статью, к сожалению, так и не нашёл, она мне случайно попалась, я совсем другое искал...

Оптическое гетеродинирование на нелинейных кристаллах или оптических модуляторах. Но там есть одна засада- получаются сразу две боковые частоты, а однополосный оптический смеситель обычно достаточно сложный и световодный вход-выход имеет, что усложняет конструкцию оптики.

А вот тут 3,4 ТГц-овый лазер перестраивают по частоте с помощью петли ФАПЧ.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Правда, диапазон перестройки всего 2 ГГц, так что это тоже можно считать подстройкой лазера.

VCO, прочитал и предыдущий Ваш пост. Респекты, подход достаточно серьезный.
Правда так далеко за рамками вопроса темы, что я спрашивал, потому что сходу даже не предположил, о чем Вы.

Такой ФАПЧ на практике развернется в сильно сложную и дорогостоящую конструкцию, и нелегкую в юстировке. Но с другой стороны, Ваша мысль вполне хороша:
если автор прослушивает радио в луче, и другие помехи, то есть может по-факту их ловить, почему бы действительно не подавить их обратной связью?

Может быть достаточной будет упрощенная схема с простой ООС. У него уширение в 5 МГц - значит и частота нестабильностей должна быть того же порядка; в такой полосе ток можно контролировать непосредственно.

В общем, Ваша идея мне кажется очень здравой. Интересно, как ее оценит автор.

А это вовсе не моя идея, это учёные всё придумывают, я от этого очень далёк. Оптика - это единицы-сотни ТГц, а я работаю пока до 60 ГГц, т.е. разница по частотам 2-4 порядка.

Моя идея как раз состоит в том, чтобы исключить самые мощные источники шумов и помех, что именно ТС сейчас и делает. Правда аккумулятор шумит не намного меньше БП, и намного больше сверхмалошумящего линейного стабилизатора, поэтому пока идеальный случай весьма далёк и есть над чем работать. Если вообще убрать цифру, шумы могут уменьшиться на порядок.

Ну и напоследок, вовсе необязательно ОС делать по частоте, её можно делать по шумам, выделенным в цепи накачки лазера. Т.о. можно получить активную компандерную систему шумоподавления. У нас, синтезаторщиков, борьба с шумами - вопрос №1, и в узкополосных ФАПЧ активные системы шумоподавления дают ощутимые выигрыши.

Не знаю, поможет ли это автору темы, но частоту лазеров часто стабилизируют с помощью внешнего резонатора. Прикрепил пару статей
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла