Здравствуйте, товарищи.
Подскажите, пожалуйста, чего бы почитать про то как человечество делает малошумящие усилители.

а то если взять емкость диода, усилителя ~ 3-5 пФ, то для полосы 30Мгц сопротивление обратной связи будет ~1кОм. Температурный токовый шум резистора 1кОм: sqrt(4kT/R) = 5pA / sqrt(Hz) (уже на 3 порядка больше фотодиода), это без учёта шума операционного усилителя в несколько nV/sqrt(Hz), которые еще на порядок больший вклад дадут...

У Analog Devices есть полезная книга "Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning"
Есть её перевод не русский язык:
Методы практического конструирования при нормировании сигналов c датчиков
http://www.autex.spb.ru/cgi-bin/download.cgi?sensor99_rus
там есть пример усилителя фототока с расчётом полосы, шумов и т.п.

Надо плясать от физической задачи. Абстрактного "самого хорошего усилителя" не бывает. Все они являются компромиссными решениями. В противном случае выпускалась бы только одна микросхема на все случаи жизни.

А между чем и чем компромис? полоса vs. плотность шума?
полоса задана, плотность шума фотодиода какая есть.
хочется иметь усилитель который шумы которого сравнимы с шумами фотодиода а не на 3 порядка выше...


да, спасибо, уже читал, не помогло
если взять оттуда пример высокоскоростного усилителя с полосой 2Мгц, шумом 260мкв RMS и сопротивлением обратной связи 100кОм, плотность шума приведёная ко входу будет те же единицы pA/sqrt(Hz).
перефразирую вопрос: зачем делают фотодиоды с плотностью шумов в единицы фА на корень из герца, причем в гигагерцовой полосе, если шумы усилителей на порядки выше...

Например AD8065 плюс полевичек малошумящий типа BF862 на вход для большей скорости, все это в холодильник -40, и будет нечто похожее.

Вот даже картинку нашел Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Тогда я бы перефразировал вопрос по другому: зачем использовать фотодиоды с гигагерцовой полосой в устройстве с полосой в несколько мегагерц?

Быстрый фотодиод => маленькая емкость => маленький размер фотодиода => меньше темновых токов => меньше величина шума ~ sqrt( 2 * e- * I )

=> блок питания для ЛФД на десятки-сотни вольт, дробовый шум во всей полосе ЛФД, выбор рабочей точки, ее регулирование (стабилизация от температуры) и т.д. Проблем масса.

Применяли скоростные ЛФД не от хорошей жизни. Присоединяюсь к вопросу asdf

В 99% процентах случаев такие рассуждения свидетельствуют о неадекватном выборе фотоприемника или методики измерения.

речь не идёт про лавинные фотодиоды.
PIN фотодиод



попробую ещё раз...

существуют довольно малошумящие PIN фотодиоды:
http://sales.hamamatsu.com/en/products/sol...andard-type.php
в даташите приведены цифирки аж от 2e-15 W/Hz^0.5 что равно 2e-15 A/Hz^0.5 при 1 A/W
теперь берем этот фотодиод и подключаем к быстрому малошумящему операционнику, считаем шумы, и получаем пикоАмперы на корень из герца. Вот эта вот разница на три порядка меня и удивила.
и соответственно возник вопрос каким образом человечество обращается с такими фотодиодами.

А Вы не пробовали считать, сколько электронов шумового тока придется на период в диапазоне 1 Мгц ?

Зачем же ограничиваться только операционниками?
Можно, например, использовать спиральный резонатор в качестве трансформатора для согласования с усилителем.

Да, спасибо, об этом я как-то не подумал...

Эта проблема решается только и только трансформатором напряжения с обственными шумами меньше чем усилитель. Если на входе ОУ стоит резистор - это уже неприемлемо. Придумайте схему в которой нет резистора на входе усилителся (или есть, но в полосе рабочих частот его сопротивление бизко к нулю). Понятно, что получившаяся схема не сможет усиливать постоянный ток. И выйдет, что полоса пропускания от нуля - не получается.

Кстати -40 это не выход.Нужен жидкий азот.
В некоторых книжках рекомендуют параллельное вкл усилителей-снижается шум.В ПТЭ в стародавние времена видел подобные схемы.
А вы прикинье а сколько шумов вам надо,не сколько возможно,а имннно сколько надо.

Вот ещё одна книга: Photodiode Amplifiers

Что-то с файлом не в порядке. У кого-нибудь открылся?

Открылся без проблем. Инструменты стандартные: WinRAR и DjVuViewer.

Странно, а WinRAR зачем? .7z в конце - это маскирующее расширение? Если его убрать, DjVuViewer пытается открыть файл и сообщает об ошибке "Unexpected End Of file". Или я что-то не так делаю?

7z - это расширение архиватора 7ZIP. http://www.7-zip.org/download.html

Ясно, спасибо. Наплодили архиваторов...

1) Для сведения - NEP измеряется при смещении фотодиода 10 мВ и температуре 25 градусов. В реальности рабочее смещение гораздо больше, больше ток утечки и соответственно дробовые шумы. Но не на порядки, а в несколько раз, как правило. Тем не менее, это нужно иметь в виду. Кстати, ток утечки очень сильно зависит и от температуры. Всегда принимайте во внимание ее рабочий диапазон.
2) Для снижения уровня шума очень важно уменьшать емкость фотодиода. На высоких частотах лучше показывают себя специализированные трансимпедансные усилители. В полосе до 100 МГц одними из лучших являются микросхемы Philips, серия TZA. Характерные шумы около 0,9 pA/Hz^1/2 во всей рабочей полосе. Но при общей входной емкости (вместе с паразитными) 0,3-0,5 pF. Поэтому, фотодиод и трансимпедансный усилитель располагают в одном корпусе, соединяя их очень короткими проволочками для уменьшения паразитных емкостей. Вот почему последние варианты микросхем этой серии вообще не продаются в корпусах, а только в виде кристаллов, которые корпусируются вместе с фотодиодом. Такой уровень шума переплюнуть почти невозможно при фиксированной входной емкости.
3) При проектировании трансимпедансного усилителя на рассыпухе, возможно снизить уровень шума в 2 раза по мощности с помощью простой противошумовой коррекции. А при помощи сложной противошумовой коррекци еще в 2 раза.
4) На частотах примерно до 30 МГц более эффективны усилители с полевыми транзисторами на входе. На более высоких частотах лучше смотрятся биполярные. Только не воспринимайте это как жесткое правило. Конечно многое зависит от конкретного прибора. Но лучшие представители на 2000 г. выглядели примерно так.

Ну и небольшая оценка вашего слуая - в полосе до 30 МГц вы можете легко получить 3 pA/Hz^1/2 на самых примитивных компонентах при емкости фотодиода 3 pF. Не стесняйтесь подать большое смещение для уменьшения емкости фотодиода. При сложной противошумовой коррекции 1,5 pA/Hz^1/2. Но имейте в виду, что она довольно капризна в настройке и может потребовать температурной коррекции. Не скажу, что проще, но очень эффективно использовать лавинный фотодиод. Это может уменьшить шумы на 10 дБ. Можно использовать и неприхотливую простую противошумовую коррекцию.

В закрома закачивал книжку "Микрофотоэлектроника". Она полностью посвящена теме фотоприемников и усилителей для них.

Все правильно, только для новичков надо расшифровать про противошумовые коррекции - см. Брауде, или книжку Эрглиса, Степаненко по усилителям. Для варианта со входом на полевиках часто узким местом является энергопотребление - ПТ с высокой крутизной и малыми емкостями работают при приличных токах, и при этом, кстати, неплохо греются. Кроме того, часто можно не делать трансимпедансный усилитель в явном виде, а интегрировать заряд - при этом из бюджета шума уходит шум резистора обратной связи трансимпедансника.

Это точно, для новичков нужно было дать матчасть. Могу еще порекомендовать А. К. Нарышкин "Противошумовые коррекции в транзисторных усилителях", "Связь", 1974 г. Написано идеально, разобрано детально. С тех пор ничего существенного к этой теме добавлено не было, насколько знаю.

Полевики действительно любят ток стока побольше. В этой области увеличивается крутизна и поэтому уменьшаются приведенные ко входу шумы. На практике это обычно 10-20 мА при напряжении питания порядка 10 В. Но известные мне подходящие высокочастотные полевики имеют входную емкость около 2 пФ (например BF998). Буду очень признателен, если кто-то сообщит другие модели с меньшей входной емкостью и крутизной не менее 30 мСм на диапазон UHF.

И на счет интегрирования вы тоже правы, SIA. Простая противошумовая коррекция это и есть интегрирование сигнала на входной емкости с последующим восстановлением формы сигнала после усиления на дифференцирующей цепочке. Она применяется в любых усилителях. не только трансимпедансных.

Спасибо за дополнения

Всем привет!

В продолжение темы:

Используем фотодиодный детектор для измерения малого уровня освещённости (десятые доли Люкс) в диапазоне от нуля до десятков Герц.
Ныне не работающий с нами инженер в своё время нарисовал и использовал схему


На мой взгляд (и по результатам симяции в SPICE), работать такое не может. Но - работает.
Подскажите, стоит ли использовать такую схему или переработать?

Может. А в симуляции - нет, видимо, потому, что обозначения входов перепутаны. На самом деле 5 нога - неинвертирующий вход, 6 - соответственно, инвертирующий. И ёмкость с выхода я бы переставил за резистор R9.

Супер! Вото что значит RTFM
Спасибо, что обратили внимание, а то крыша уже поехала

статья

Азот не поможет на этой частоте - всё что реально получить 0.5ра\\/hz - параллельное включение не поможет - высокая частота, маленькая ёмкость.
Тут следует обратиться к физике измерений - пока задача не понятна, решение так же непонятно.

3sk323

Тут надо разделить мух от котлет- полевики нужны именно с изоляцией p-n переходом -JFET- они шумят меньше MOSFET и работают при нулевом или отрицательном смещении на затворе. MOSFET в таких схемах без внешнего смещения практически неработоспособны, а делитель смещения своими шумами и утечками убьет всю логику схемы.

Интересно откуда такой вывод? Схемы я делал - те же BF998 работают при нулевом смещении - неужели можно лучше?

Из личного опыта. Да, для малого сигнала BF998 и другие приемные полевики с левой характеристикой работают вроде нормально. Но как только амплитуда сигнала начинает расти, начинается какая-то ерунда. Например затягивает фронты импульса, несимметрично фронт и спад, притом неравномерно, такое впечатление что частотные характеристики полевика меняются от амплитуды сигнала. Что там за нелинейные эффекты в транзисторе- я честно говоря неразобрался, поставил полевик с изоляцией p-n переходом и все заработало как в учебнике.
Если кто поделится нормально работающей схемкой на BF998 итд- буду очень благодарен.

Дело в том, что у p-n транзистора при большом сигнале приоткрывается переход, а у изолированного нет - если резистор в цепи обратной связи маленький, например 100ком - усилитель восстанавливается без выбросов и затягивания фронта - ну большой чуствительности при этом конечно не получить.

Спасибо, уважаемый jam. Прибор, конечно, любопытный. Однако, не указана почему-то нигде входная емкость. Для всех остальных малосигнальных MOSFET Ренесаса указана, а для этого нет. Может она не нормируется из-за сильного разброса? Любопытно...


Знаете, у меня вот какое представление по этому поводу:
1. JFET не забираются в UHF. Просто в силу принцыпа действия. В начале этого века JFETы на арсениде галлия едва дотягивали, если не изменяет память, до 30-70 МГц. В то же время, MOSFET работали уже на десятках гигагерц. Вернусь домой через пару недель - уточню в своих книжках.
2. JFET, как правило, имеют сравнитеьно небольшую крутизну по сравнению с MOSFET при одинаковой входной емкости. Это большой минус для малошумящих усилителей высокой частоты, как впрочем и значительная входная емкость этих приборов.
3. JFET имеет преимущество перед нормальными MOSFET только на низких частотах (порядка десятка килогерц, а то и ниже). И связано это именно с шумом 1/f (розовым). Просто есть такая качественная зависимость, что чем резче границы между структурами полупроводникового прибора, тем больше розовый шум. У JFET граница канала размытая и действительно именно розовый шум у лучших представителей на удивление низкий.
4. JFET проигрывает MOSFET еще и по току утечки (а следовательно и по дробовому шуму). В некоторых приложениях это может быть существенно. Например при измерении очень низких освещенностей, когда ловятся практически отдельные фотоны.

Прошу считать все изложенной моим личным "сухим остатком", оставшимся от просеивания литературы и некоторого опыта. Если в чем-то ошибся, буду рад узнать о своих заблуждениях.

Неверные цифры. На арсениде галлия получаются именно Jfet-ы, только затвор, как правило, не с p-n переходом, а Шоттки. Частоты там другие, 30-70 ГГц. Преимущество MOSFET - возможность получения очень короткого канала (меньше физической ширины затворной линии), недостаток - меньшая поверхностная подвижность носителей по сравнению с объемной.

Отношение C/S при равных проектных нормах и длинах каналов как раз лучше у JFET. Нельзя сравнивать КП302 с каналом 15 мкм и нерасщепленными затворами с субмикронными каскодными Mosfet.

Причина совершенно другая. В МОП большую роль играют поверхностные состояния, Jfet же работает "внутри" кристалла, где нет этого механизма флуктуаций. Размер же ОПЗ как раз желательно иметь минимальный (т.е. с четкими границами канала) для уменьшения числа попадающих в ОПЗ центров генерации-рекомбинации, служащих источниками утечек и НЧ-шума.

Ток утечки затвора Jfet при равной температуре заведомо меньше тока утечки фотодиода, а емкость источника сигнала реально не бывает меньше сотых долей пФ. Напряжение от единичного фотона при этом настолько мало, что проблемы все равно создает ЭДС, а не ток шума. Поэтому зарядочувствительные усилители для интегральных фотоприемников, имеющие RMS шумовой заряд, опускающийся до величин меньше 1 e, выполняются в основном на Jfet, и как правило, с расщепленным затвором.

Спасибо за интересные комментарии. Не могли бы вы указать какие-нибудь модели JFET, иллюстрирующие такие высокие рабочие частоты и C/S? Особенно интересуют маломощные высокочастотные приборы с возможно меньшей входной емкостью. Я коллекционирую такие


Центры генерации-рекомбинации, насколько я знаю, возникают из-за нарушения структуры кристаллической решетки. Наиболее проблемные места - резкие границы между различными структурами прибора, ограничивающие канал. В JFET они расплывчатые по сравнению с MOSFET и поэтому "ловушек" носителей в них гораздо меньше, несмотря на бОльшие размеры канала. Просто они реже образуются. Разве не так?


Почему же заведомо? Все зависит от конкретного исполнения. Да и про температуру вы сами упомянули. Вобщем-то я даже не задавался определенным типом прибора, слово "фотодиод" не звучало. И если емкость источника 0,1 пФ (мне кажется это реальнее), то изменение напряжения от 1 е будет 1,6 мкВ. Не такая уж малая величина. Особенно если вспомнить, что мы еще не задавались и полосой пропускания усилителя.

Понятно , что для подсчета фотонов лучше использовать трубки. Но я все же имел в виду как раз случай, когда ток датчика соизмерим с током утечки JFET. Прошу прощения за "практически отдельные фотоны". Это была неудачная фраза.

ОК, принято. Напишу через 2 дня.

почитайте на тему рентгеновской спектрометрии - задача та же - pin-диод - усилитель

насколько знаю, строится по такой схеме - диод + полевик (jfet) сидят на пельтье в вакууме (при t=-60) для минимизации шумов, далее ОУ в тех что видел - AD829. возможно подойдет OP847 от TI. типичное смещение на диоде 100-160В.

поскольку там задача ловить отдельные кванты, то упрощенно: сделан интегратор, затем диф цепочка - фнч - ацп
подробнее в книгах Акимов "полупроводниковые детекторы" они есть в библиотеке у Lord-n. там же расписано на тему шумов и оптимизации передаточной характеристики

Жаль, что самого интересного вы не сообщили. А именно полосу пропускания и тип JFET. Ну и тип фотодиода, конечно. Судя по смещению и назначению, он лавинный.

диод не лавинный, а именно p-i-n.
полоса обратно пропорциональна шумам там маленько другие критерии оценки шума (сводится к энергетическому разрешению по падающим квантам), примерно могу сказать так - длительность фронтов после диф цепочки - сотни нс до единиц мкс, время сбора заряда на диоде - десятки-сотни наносекунд, а дальше формировка - чем шире полоса, тем больше шум.

зы ИМХО - вклад электроники к шуму детектора (диода) - порядка 20% если судить по разрешению при 125 теор. возможном реально - 150

Есть один операционничек: LMP7721
Input Bias Current 3 fA
Но насчет полосы его не уверен.

Судя по Open Loop Frequency Response Gain - не очень...

Подскажите, а где эти пин-диоды можно реально купить? Только желательно не такие большие как у хамамацу, ну миллиметров 30-50квадратных...

Это небольшие?! У всякого производителя есть разные. Но для ВЧ такую площадь?

Заказщик просит вобще 1кв см - пришлось заказать стрипованные на своём материале 600мкм 6ком - но получились плохие - текут сильно.

А зачем заказчику определённая площадь? Чем-то аргументирует? Может, линзу можно поставить? Вот те, что знаю. Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла
И здесь посмотрите.

Ему надо регистрировать рентген, поэтому линза не годится, большие диоды на тепле текут, да и ёмкость у них большая, реально пока больше 60 кв мм не работало. Вот и ищу , кто бы качественные диоды продал...

Спасибо за ссылку на Silicon Sensor Gmbh - вполне возможно у них есть то что мне надо - только вот у них на сайте ни торговли ни дистрибьютора - вы у них уже что-нибуть покупали?

Почему же, жмёте Contact/Distributors.
Покупал, через дистрибьютора.