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Jürgen Appel
Guest
Tue Jan 10, 2012 12:29 am
Hallo!
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht einfach
mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen Rauschen nur
durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes gegeben ist. Je größer
der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber desto größer auch der
Spannungsabfall und damit die nötige Versorgungsspannung).
Ich möchte gerne das Rauschen eines 100µA..5mA Photostromes im
Frequenzbereich 1 kHz..10MHz messen. Das sollte bei meiner Photodiode mit
einem Transimpedanzverstärker mit ~20kOhm Feedbackwiderstand klappen.
Allerdings hält mein Op-Amp keine 5mA*25kOhm=125V aus, so daß ich nach einer
Stromquelle/-senke suche, wo ich die überflüssigen ca. 5mA DC versenken
kann, ohne mehr Johnsonrauschen als das eines 50kOhm Widerstandes zu
erzeugen.
Gibt es eine cleverere Alternative ohne eine -250V-Spannungsquelle zu
bemühen und 1.25W am 50k-Widerstand zu verbraten?
(ok, eine Induktivität, die bei 1kHz eine 50kOhm Impedanz hat, täte es auch,
aber das wäre ein Monster...)
Gruß,
Jürgen
--
GPG key:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get
Bernd Mayer
Guest
Tue Jan 10, 2012 12:57 am
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Quote:
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht einfach
mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen Rauschen nur
durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes gegeben ist. Je größer
der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber desto größer auch der
Spannungsabfall und damit die nötige Versorgungsspannung).
Ich möchte gerne das Rauschen eines 100µA..5mA Photostromes im
Frequenzbereich 1 kHz..10MHz messen. Das sollte bei meiner Photodiode mit
einem Transimpedanzverstärker mit ~20kOhm Feedbackwiderstand klappen.
Allerdings hält mein Op-Amp keine 5mA*25kOhm=125V aus, so daß ich nach einer
Stromquelle/-senke suche, wo ich die überflüssigen ca. 5mA DC versenken
kann, ohne mehr Johnsonrauschen als das eines 50kOhm Widerstandes zu
erzeugen.
Hallo,
warum nimmst Du nicht einfach einen Feedbackwiderstand von ca. 2,5 kOhm?
Bernd Mayer
.
Joerg
Guest
Tue Jan 10, 2012 1:10 am
Jürgen Appel wrote:
Quote:
Hallo!
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht einfach
mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen Rauschen nur
durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes gegeben ist. Je größer
der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber desto größer auch der
Spannungsabfall und damit die nötige Versorgungsspannung).
Ich möchte gerne das Rauschen eines 100µA..5mA Photostromes im
Frequenzbereich 1 kHz..10MHz messen. Das sollte bei meiner Photodiode mit
einem Transimpedanzverstärker mit ~20kOhm Feedbackwiderstand klappen.
Allerdings hält mein Op-Amp keine 5mA*25kOhm=125V aus, so daß ich nach einer
Stromquelle/-senke suche, wo ich die überflüssigen ca. 5mA DC versenken
kann, ohne mehr Johnsonrauschen als das eines 50kOhm Widerstandes zu
erzeugen.
Gibt es eine cleverere Alternative ohne eine -250V-Spannungsquelle zu
bemühen und 1.25W am 50k-Widerstand zu verbraten?
(ok, eine Induktivität, die bei 1kHz eine 50kOhm Impedanz hat, täte es auch,
aber das wäre ein Monster...)
So schlimm isset nich. Zwei Blechschrauben, anloeten, feddich:
http://www.hammondmfg.com/pdf/5c0032.pdf
Dann noch eine kleine Induktivitaet in Serie damit der Bereich ueber
einigen zig kHz abgedeckt ist, denn die Windungkapazitaet spielt einem
sonst eventuell einen Streich. Aber Achtung, sind Blechkerne.
So richtig esoterisch waere ein Gyrator aber da muesste man erstmal die
Rauschsituation abklopfen. Mit sowas haettest Du natuerlich hinterher
absoluten Guru-Status.
--
Gruesse, Joerg
http://www.analogconsultants.com/
Matthias Weingart
Guest
Tue Jan 10, 2012 9:56 am
=?UTF-8?B?SsO8cmdlbg==?= Appel <jappel_at_linux01.gwdg.de>:
Quote:
(ok, eine InduktivitÇÏt, die bei 1kHz eine 50kOhm Impedanz hat, tÇÏte es
auch, aber das wÇÏre ein Monster...)
Sowas fängt auch ganz gern alles mögliches Zeugs aus der Umgebung ein.
Schlimmer als Rauschen.
M.
Jürgen Appel
Guest
Tue Jan 10, 2012 10:39 am
Bernd Mayer wrote:
Quote:
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht einfach
mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen Rauschen
nur durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes gegeben ist. Je
größer der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber desto größer auch
der Spannungsabfall und damit die nötige Versorgungsspannung).
[...]
Quote:
warum nimmst Du nicht einfach einen Feedbackwiderstand von ca. 2,5 kOhm?
Weil ich dann das größere Johnson-(Strom-)rauschen dieses Widerstandes sehen
würde. Genau das möchte ich ja gerne vermeiden.
Gruß,
Jürgen
--
GPG key:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get
Alexander
Guest
Tue Jan 10, 2012 11:13 am
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Quote:
Ich möchte gerne das Rauschen eines 100µA..5mA Photostromes im
Frequenzbereich 1 kHz..10MHz messen. Das sollte bei meiner Photodiode mit
einem Transimpedanzverstärker mit ~20kOhm Feedbackwiderstand klappen.
Allerdings hält mein Op-Amp keine 5mA*25kOhm=125V aus, so daß ich nach einer
Stromquelle/-senke suche, wo ich die überflüssigen ca. 5mA DC versenken
kann, ohne mehr Johnsonrauschen als das eines 50kOhm Widerstandes zu
erzeugen.
beim Stichwort Photodiode fällt mir Phil Hobbs' Artikel 'Ultrasensitive
Laser Measurements without tears" ein, der auf seiner Homepage
http://electrooptical.net/ zu finden ist.
Wenn du in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung die Vergleichsdiode D2
durch einen Widerstand ersetzt, der an einer rauscharmen Spannungsquelle
hängt, dann regelt die Schaltung automatisch den Gleichanteil im
Ausgangssignal zu Null und das Rauschen bleibt übrig.
Gruß,
Alexander
Edzard Egberts
Guest
Tue Jan 10, 2012 11:15 am
Jürgen Appel schrieb:
Quote:
Bernd Mayer wrote:
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht einfach
mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen Rauschen
nur durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes gegeben ist. Je
größer der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber desto größer auch
der Spannungsabfall und damit die nötige Versorgungsspannung).
Was für ein Rauschen ist das eigentlich? Ich habe mal nachgeguckt und
das kann entweder angelsächsisch für "thermisches Rauschen" sein, oder
das "Funkelrauschen" (flicker noise). Was das thermische Rauschen
angeht, habe ich mir gemerkt, dass das mit steigendem Widerstand zunimmt
und materialabhängig ist, Kohleschicht also z.B. schlechter als
Metallschicht ist. Also genau das Gegenteil von Deiner Aussage.
Bernd Mayer
Guest
Tue Jan 10, 2012 11:45 am
Am 10.01.2012 10:39, schrieb Jürgen Appel:
Quote:
Bernd Mayer wrote:
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht einfach
mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen Rauschen
nur durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes gegeben ist. Je
größer der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber desto größer auch
der Spannungsabfall und damit die nötige Versorgungsspannung).
[...]
warum nimmst Du nicht einfach einen Feedbackwiderstand von ca. 2,5 kOhm?
Weil ich dann das größere Johnson-(Strom-)rauschen dieses Widerstandes sehen
würde. Genau das möchte ich ja gerne vermeiden.
Hallo,
Du kannst immer die Gesamtsumme des Rauschens sehen, also Strom- und
Spannungsrauschen zusammen. Vom Ersatzschaltbild her liegt Deine
Photodiode parallel zum Feedbackwiderstand - sofern ich mir Deine
Schaltung richtig vorstelle. Bei starker Beleuchtung ist die Photodiode
niederohmig d.h. es kommt auch darauf an in welchem Helligkeitsbereich
Du messen möchtest. Da Du bis 10 MHz Bandbreite messen möchtest muss man
bei hochohmigen Rückkoppelungswiderständen auch die Auswirkung von
Streukapazitäten berücksichtigen damit die Messbandbreite nicht
verfälscht wird. Bei 25 kOhm und 1pF Streukapazität komme ich auf eine
Bandbreite von 6 MHz - für eine Messung sollte der Verstärker schon
etwas breitbandiger sein damit dieser nicht schon die Messbandbreite
begrenzt.
Bernd Mayer
Jürgen Appel
Guest
Wed Jan 11, 2012 12:18 am
Alexander wrote:
Quote:
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Ich möchte gerne das Rauschen eines 100µA..5mA Photostromes im
Frequenzbereich 1 kHz..10MHz messen. Das sollte bei meiner Photodiode mit
einem Transimpedanzverstärker mit ~20kOhm Feedbackwiderstand klappen.
Allerdings hält mein Op-Amp keine 5mA*25kOhm=125V aus, so daß ich nach
einer Stromquelle/-senke suche, wo ich die überflüssigen ca. 5mA DC
versenken kann, ohne mehr Johnsonrauschen als das eines 50kOhm
Widerstandes zu erzeugen.
beim Stichwort Photodiode fällt mir Phil Hobbs' Artikel 'Ultrasensitive
Laser Measurements without tears" ein, der auf seiner Homepage
http://electrooptical.net/ zu finden ist.
Wenn du in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung die Vergleichsdiode D2
durch einen Widerstand ersetzt, der an einer rauscharmen Spannungsquelle
hängt, dann regelt die Schaltung automatisch den Gleichanteil im
Ausgangssignal zu Null und das Rauschen bleibt übrig.
Exakt genau das war der Plan. (nur, daß man evtl. den Stromspiegel durch
einen MOSFET ersetzen könnte). Nur habe ich momentan nur +-15V im Detektor,
und müßte für diese Lösung bei bis zu 5mA Photostrom >1W die -250V entweder
erzeugen oder per Zusatztrafo einspeisen. Das wird dann wohl mein erster
Photodetektor mit Leistungswiderstand...
Gruß,
Jürgen
--
GPG key:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get
Michael Eggert
Guest
Wed Jan 11, 2012 12:39 am
Jürgen Appel <jappel_at_linux01.gwdg.de> wrote:
Moin!
Quote:
Ich möchte gerne das Rauschen eines 100µA..5mA Photostromes im
Frequenzbereich 1 kHz..10MHz messen. Das sollte bei meiner Photodiode mit
einem Transimpedanzverstärker mit ~20kOhm Feedbackwiderstand klappen.
Allerdings hält mein Op-Amp keine 5mA*25kOhm=125V aus, so daß ich nach einer
Stromquelle/-senke suche, wo ich die überflüssigen ca. 5mA DC versenken
kann, ohne mehr Johnsonrauschen als das eines 50kOhm Widerstandes zu
erzeugen.
Versteh ich nicht - 5 mA machen soviel Schrotrauschen wie ein
Widerstand von 10 Ohm thermisches Stromrauschen bei 300 K. Da wären
doch selbst 1k als DC-Bypass völlig vernachlässigbar?
Gruß,
Michael.
Alexander
Guest
Wed Jan 11, 2012 7:58 am
Am 11.01.2012 00:18, schrieb Jürgen Appel:
Quote:
beim Stichwort Photodiode fällt mir Phil Hobbs' Artikel 'Ultrasensitive
Laser Measurements without tears" ein, der auf seiner Homepage
http://electrooptical.net/ zu finden ist.
Wenn du in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung die Vergleichsdiode D2
durch einen Widerstand ersetzt, der an einer rauscharmen Spannungsquelle
hängt, dann regelt die Schaltung automatisch den Gleichanteil im
Ausgangssignal zu Null und das Rauschen bleibt übrig.
Exakt genau das war der Plan. (nur, daß man evtl. den Stromspiegel durch
einen MOSFET ersetzen könnte). Nur habe ich momentan nur +-15V im Detektor,
und müßte für diese Lösung bei bis zu 5mA Photostrom>1W die -250V entweder
erzeugen oder per Zusatztrafo einspeisen. Das wird dann wohl mein erster
Photodetektor mit Leistungswiderstand...
Ich verstehe jetzt noch nicht, warum du -250V und einen hochohmigen
Widerstand brauchst. Der Stromsplitter aus dem Artikel zieht genau so
viel Strom von deiner Photodiode weg, um am Ausgang des
Transimpedanzverstärkers einen Gleichspannungspegel von 0V zu erreichen.
Dazu reicht die negative Versorgungsspannung aus, wenn sie stabilisiert
und gut gesiebt ist.
Gruß,
Alexander
Jürgen Appel
Guest
Wed Jan 11, 2012 8:51 am
Hi,
Edzard Egberts wrote:
Quote:
Jürgen Appel schrieb:
Bernd Mayer wrote:
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht
einfach mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen
Rauschen nur durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes
gegeben ist. Je größer der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber
desto größer auch der Spannungsabfall und damit die nötige
Versorgungsspannung).
Was für ein Rauschen ist das eigentlich? Ich habe mal nachgeguckt und
das kann entweder angelsächsisch für "thermisches Rauschen" sein, oder
das "Funkelrauschen" (flicker noise).
Das thermische Rauschen ist gemeint.
Quote:
Was das thermische Rauschen
angeht, habe ich mir gemerkt, dass das mit steigendem Widerstand zunimmt
und materialabhängig ist, Kohleschicht also z.B. schlechter als
Metallschicht ist. Also genau das Gegenteil von Deiner Aussage.
Das gilt für das Spannungsrauschen.
Das thermische Rauschen eines Widerstandes hat eine Leistungsdichte
von p=4 k T pro Hertz Bandbreite. Da p=u*i und u=R*i hängen Strom- und
Spannungsrauschen zusammen. Damit ergibt sich für das Rauschen in einer
Bandbreite df für die Spannung über dem Widerstand Urms=sqrt(4 k T df R) und
für den Strom durch den Widerstand Irms=sqrt(4 k T df /R).
Steigender Widerstand R ergibt somit eine größere Rauschspannung und einen
kleineren Rauschstrom. Der Photostrom fließt durch den Widerstand und ist
die Größe, die gemessen wird. Oder anders gesagt: Der vom Photostrom
verursachte Spannungsabfall über dem Widerstand wächst mit R, das Rauschen
nur mit sqrt(R). Deshalb wird das Signal- zu Rauschverhältnis (im Bezug auf
thermisches Widerstandsrauschen) besser, wenn der Widerstand größer wird.
Gruß,
Jürgen
--
GPG key:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get
Jürgen Appel
Guest
Wed Jan 11, 2012 9:16 am
Alexander wrote:
Quote:
Am 11.01.2012 00:18, schrieb Jürgen Appel:
Ich verstehe jetzt noch nicht, warum du -250V und einen hochohmigen
Widerstand brauchst. Der Stromsplitter aus dem Artikel zieht genau so
viel Strom von deiner Photodiode weg, um am Ausgang des
Transimpedanzverstärkers einen Gleichspannungspegel von 0V zu erreichen.
Damit der Stromsplitter funktioniert, muß Icomp>Isignal sein. Und Isignal
ist bei 10mW ca. 5 mA. Durch den Widerstand, der D2 ersetzt, fließen also
max 5 mA. Wenn dieser Widerstand nicht größer als der 25k Widerstand im
Transimpedanzverstärker ist, dominiert sein Johnson-Rauschen. Und mit einem
50k-Widerstand und 5mA komme ich auf -250V.
Gruß,
Jürgen
--
GPG key:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get
Volker Staben
Guest
Wed Jan 11, 2012 10:17 am
Am 11.01.2012 09:16, schrieb Jürgen Appel:
Quote:
Wenn dieser Widerstand nicht größer als der 25k Widerstand im
Transimpedanzverstärker ist, dominiert sein Johnson-Rauschen. Und mit einem
50k-Widerstand und 5mA komme ich auf -250V.
Hm. Sich da allein auf das Rauschen eines einzigen
Widerstands zu fokussieren, erscheint mir ziemlich
gewagt. Sinnvoll wäre vielleicht, für ein
komplettes System ein Rausch-ESB zu erstellen, um
die frequenzabhängigen Beiträge aller Komponenten
zum Gesamtrauschen quantifizieren zu können. Dann
erst kann man sich doch wohl um eine Optimierung
bemühen?
V.
Bernd Mayer
Guest
Wed Jan 11, 2012 1:29 pm
Am 11.01.2012 08:51, schrieb Jürgen Appel:
Quote:
Hi,
Edzard Egberts wrote:
Jürgen Appel schrieb:
Bernd Mayer wrote:
Am 10.01.2012 00:29, schrieb Jürgen Appel:
Wenn man eine hohe Spannung zur Verfügung hat, läßt sich ja recht
einfach mit nur einem Widerstand ein rauscharmer Strom erzeugen, dessen
Rauschen nur durch das Johnson-(Strom-)Rauschen des Widerstandes
gegeben ist. Je größer der Widerstand, desto kleiner das Rauschen (aber
desto größer auch der Spannungsabfall und damit die nötige
Versorgungsspannung).
Was für ein Rauschen ist das eigentlich? Ich habe mal nachgeguckt und
das kann entweder angelsächsisch für "thermisches Rauschen" sein, oder
das "Funkelrauschen" (flicker noise).
Das thermische Rauschen ist gemeint.
Was das thermische Rauschen
angeht, habe ich mir gemerkt, dass das mit steigendem Widerstand zunimmt
und materialabhängig ist, Kohleschicht also z.B. schlechter als
Metallschicht ist. Also genau das Gegenteil von Deiner Aussage.
Das gilt für das Spannungsrauschen.
Das thermische Rauschen eines Widerstandes hat eine Leistungsdichte
von p=4 k T pro Hertz Bandbreite. Da p=u*i und u=R*i hängen Strom- und
Spannungsrauschen zusammen. Damit ergibt sich für das Rauschen in einer
Bandbreite df für die Spannung über dem Widerstand Urms=sqrt(4 k T df R) und
für den Strom durch den Widerstand Irms=sqrt(4 k T df /R).
Steigender Widerstand R ergibt somit eine größere Rauschspannung und einen
kleineren Rauschstrom. Der Photostrom fließt durch den Widerstand und ist
die Größe, die gemessen wird. Oder anders gesagt: Der vom Photostrom
verursachte Spannungsabfall über dem Widerstand wächst mit R, das Rauschen
nur mit sqrt(R). Deshalb wird das Signal- zu Rauschverhältnis (im Bezug auf
thermisches Widerstandsrauschen) besser, wenn der Widerstand größer wird.
Hallo,
ich denke das Problem hat mehrere Dimensionen!
Alleine schon die Fotodiode hat keine konstanten Eigenschaften die eine
einfache Berechnung ermöglichen. Da ist vieles von der Beleuchtung
abhängig und auch von der Sperrspannung (Kapazität). Man muss immer auch
die konkreten Eigenschaften der eingesetzten Fotodiode berücksichtigen.
Und beim Rauschabstand sind auch die Signaleigenschaften wichtig (Pegel
und Frequenz).
IIRC kann man beim Transimpedanzverstärker im Ersatzschaltbild die
Fotodiode parallel zum Rückkoppelungswiderstand liegend betrachten auch
für das Rauschen.
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Kennlinie_Photodiode_1.png&filetimestamp=20070126104221
Ich denke dass da - helligkeitsabhängig - der Ersatzwiderstand der
Photodiode das Widerstandsrauschen der Gesamtschaltung definieren kann.
Für Rauschen und auch den Rauschabstand ist auch die Bandbreite wichtig
und da spielen dann die Zeitkonstanten eine Rolle, für breitbandige
Signale sind geringe Kapazitäten und Widerstände sinnvoll.
Bei einer solchen Schaltung würde ich immer ergänzend zu einer
Berechnung oder Simulation auch eigene Messungen durchführen.
Zum Überprüfen der Bandbreite der Gesamtschaltung kann man ja mal
zusätzlich einen Strom in den Transimpedanzverstärker einspeisen über
die Frequenz.
Am Rauschen des Signalausgangs kann man nicht mehr trennen ob das jetzt
Strom- oder Spannungsrauschen des Rückkoppelungswiderstandes ist oder
andere Ursachen hat (Stromversorgung, Layout, optisches Rauschen usw..)
Bernd Mayer
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