Тема: Нестандартная фотометрия - нужен совет!

[diant]

Галл, все кто знает, пожалуйста подскажите мне чайнику.

Нужно измерять (точнее вести мониторинг) яркости лазерного луча в такой ситуации.
Точность нужна очень высокая - в моем случае хотелось бы чувствовать изменение сигнала на фотодиоде в 1нА. И в то же время сам сигнал может быть любым - от 1 нА вплоть до 1мА, то есть шесть порядков!

Я хорошо понимаю, как собрать простой трансимпеданс с любой чуйкой.
Но проблема в том, что если я буду хорошо чувствовать ток на фотодиоде в 1нА, скажем превращая его резистором обратной связи 1М в выходной сигнал 1мВ, то когда у меня входной сигнал станет на уровне 0,1мА, выход дойдет до 100В, что далеко за пределами возможности ОУ.

Короче динамический диапазон меня ограничивает.

Как поступают в таких случаях профи?
Я так мыслю себе, что нужно что-то типа следующего.
Сначала грубо оцениваю уровень входного сигнала. Скажем навел свой луч на фотодиод и грубо вижу, что сигнал около 0,2мА. Затем нужно каким то образом установить виртуальный ноль около 0,2мА (или чуть ниже) и после этого поднять чувствительность детектора до требуемой величины.
Правильно мыслю? Если да, как это реализуется в схеме?

[Gall]

Можно поступить примерно так же, как делают в мультиметрах с переключаемыми пределами измерения. Проще всего переключать резисторы обратной связи каким-нибудь прецизионным коммутатором. Три-четыре порядка за счет одного этого резистора, и еще добавить делитель на выходе ОУ до резистора ОС.

Ноль делается стабилизацией прерыванием. Периодически вход закорачивается, уровень запоминается в конденсаторе и вычитается из выхода. Схема есть в Титце и Шенке. Прецизионное деление можно делать не резистором, а на переключаемых конденсаторах. Схема есть там же. Главное - защитные кольца вокруг входных проводов не забыть. И придумать, куда их подключать. Токи утечки по плате - они гораздо больше нА.

Ну и для очень слабого света лучше все же ФЭУ, а не фотодиоды. Фотодиоды в этой области из-за потерь сами по себе не очень линейны и теряют фотоны. ФЭУ более предсказуемы: они начинают давать одиночные импульсы от одиночных фотонов, и эти импульсы можно просто считать. Хорошие фотодиоды тоже так умеют, но они дороже ФЭУ.

Еще способ получения большого динамического диапазона - сделать, как в вакуумметрах делают. Просто поставить параллельно несколько датчиков с разной чувствительностью (и с защитой от перегрузки).

[diant]

Галл, не все с ходу понял в вашем ответе.
Вы какое издание Титца имеете в виду? И какие страницы?

У меня возникло ощущение, что вы не совсем точно поняли вопрос.

> Просто поставить параллельно несколько датчиков с разной чувствительностью (и с защитой от перегрузки).
Разве это решает задачу? Те датчики из этой связки, которые очень чувствительны, имеют малый диапазон и покрывают области близкие к нулю.
Другие, у которых чувствительность поменьше, покрывают большие диапазоны, но они "тупые".
Но кто из них сможет заметить очень малые изменения сигнала при высоком уровне самого сигнала?

Свет у меня будет отнюдь не слабый (это я о ФЭУ). А вот его изменение мне нужно чувствовать довольно точно.

[Gall]

Если надо ловить изменения 1e-6 от основного сигнала, тогда проблема будет совсем не та, какая кажется.

Просто динамический диапазон 6 порядков делается легко. Чувствительность на уровне нА на фоне мА можно в принципе сделать вычитанием. Основная проблема будет в ШУМЕ. Если в обратной связи будет резистор, то в его джонсоновском шуме весь сигнал как раз и потонет. Еще будет дробовой шум самого фотодиода и дробовой шум фотонов. Здесь хоть заусиливайся - прибор покажет погоду на Марсе.

Лучше всего начать вот с чего. Какое количество ФОТОНОВ в единицу времени попадает в датчик и каковы случайные флуктуации этого количества, связанные с температурой? Какая чувствительность прибора требуется - не в наноамперах, а в фотонах за секунду?

Если что, то схемотехника усилителей такого рода всегда одна и та же: прецизионный источник тока на входе. 1 мА прецизионно спускаем в землю, остаток подаем на вход трансимпеданса. При измерении напряжений - аналогично, включаем встречно прецизионный источник напряжения или заранее заряженный конденсатор. Вопрос тут в том, с какой точностью удастся держать этот 1 мА, а главное - насколько он будет шуметь. Имеет смысл подумать, нельзя ли вычитание фона сделать до фотодиода, в оптике (интерференцией). Интерферометр делаете? Про принцип Фурье-спектрометра не думали?

[diant]

>Какое количество ФОТОНОВ в единицу времени попадает в датчик и каковы случайные флуктуации этого количества, связанные с температурой? Какая чувствительность прибора требуется - не в наноамперах, а в фотонах за секунду?

В среднем рабочая точка на датчике будет соответствовать примерно 10(^15)-10(^16) фотонов в секунду. Дробовой фотонный шум тут будет на один-два порядка ниже, чем чувствительность (1е-6), которую хотелось бы иметь.

За температуру сказать не берусь, но и беды большой она наверное не составит. Просто даст медленный дрейф, который сильно не помешает.

При потоке 10(^15) фотонов требуется чувсвительность на 5-6 порядков ниже, то есть 10(^9)-10(^10) фотонов.

Фотодиод будет включен без смещения, чтобы минимизировать его собственный шум.
Джонсоновский шум резистора обр. связи вроде бы мешать не должен. Если поставить 1M и ограничить полосу 10кГц, то его шум, приведенный к выходу, составит (если не ошибаюсь) 13мкВ, тогда как изменение входного сигнала на 1нА даст на выходе прирост 1мВ.

[Gall]

За температуру сказать не берусь, но и беды большой она наверное не составит. Просто даст медленный дрейф, который сильно не помешает.

Имею в виду связанный с температурой шум. Термодинамику потока фотонов. Еще бы помнить, как она считается

Тогда действительно делается по аналогии с измерительным мостом. Сейчас накидаю схемку с идеей - по ней принцип будет ясен, а вот тонкости надо будет отдельно продумать.

[Gall]

Ну вот как-то так подобные схемы делаются. "Батарейка" - это источник опорного напряжения, "кнопка" - коммутатор выборки-хранения. Очень надеюсь, что не перепутал ООС и ПОС. Для реальной схемы потребуется еще компенсация, частотные фильтры... В принципе на место цепи IC3A-IC2B можно поставить цифровую схему обработки, она же может играть роль измерителя и регистратора. Это наверное наилучший вариант.

Пунктир - защитное кольцо, IC4A - активный драйвер этого защитного кольца. Еще нужно предусмотреть экранировку - это отдельно. Помехи такая штука будет ловить очень сильно, так что тоже активный экран потребуется.

С1 в основном играет роль "пробки" против шумов источника тока. Искажения, которые он вносит в сигнал, линейны, а потому легко компенсируются постобработкой.

[Gall]

И все-таки, нельзя ли как-нибудь на уровне оптики вычитание сделать?

[diant]

Галл, да схема получилась непростой и я в ней многого не понимаю (увы я не специалист в электронике). Долго буду сидеть и пытаться ее понять.

Конечно вычесть в оптике было бы хорошо, но пока не вижу такого пути.
Суть опыта - изучается оптически актически активный раствор, который вращает плоскость поляризации. Он находится в кювете между двумя поляризаторами Р1 и Р2. Через все это дело пропускается луч красного п/п лазера. На приеме - тот самый фотометр.

Теперь такая вещь. Что собственно мы смотрим. Мы смотрим изменение удельного угла вращения раствора мутаротирующей молекулы (читай, изменение относительной доли ее аномеров) при некоторых воздействиях на раствор.

Так вот самое чувствительное к изменению угла вращения будет такое положение поляризаторов Р1 и Р2, когда луч, прошедший через Р1 и кювету с раствором, падает на Р2 под углом 45 градусов к его плоскости поляризации. При таком угле ровно половина луча пройдет - то есть на фотометр будет падать весьма яркий луч, что в принципе очень хорошо (для точности измерения). А вот отслеживать изменения яркости этого луча при малых изменения удельного оптического вращения (при воздействии на раствор) нужно с как можно более высокой точностью.

Если мы хотим видеть поворот на
1 градус - нужна точность 17000 ppm
1 минуту - 300 ppm
1 секунду - 5 ppm

Я взял по максимум 1 ppm (конечно этого едва ли достичь), но как говорится, брать надо выше, а жизнь снесет.

Галл, зря вы не проставили на схеме хотя бы приблизительно все номиналы. Это бы облегчило мне ее понимание. А так она пока как темный лес. Вот гляжу на драйвер safe guard'а и на ОУ самого трансимпеданса. Они по моим представлениям должны быть одним операционником в сдвоенном корпусе. А на схеме это IC4A и IC2A? Почему? И так далее, вообщем как-то надо понять хотя бы принцип этой схемы.

[Gall]

Сейчас распишу принцип. Я не проставил те номиналы, которые зависят от конкретного применения схемы (т.е. я просто их совершенно не знал).

Нумерация ОУ стоит, на самом деле, от балды. В реальной схеме IC1A и IC1B имеют хороший шанс оказаться одной готовой микросхемой со встроенными резисторами R4, R8, R6, R7, операционник IC3B может вообще не потребоваться, IC2B лучше заменить на специализированный усилитель "выборка-хранение" и так далее. Поэтому я особо не заморачивался нумерацией и тонкостями схемотехники - это больше иллюстрация идеи, нежели готовая схема.

Как оно работает. На IC1A собран прецизионный источник тока около 1 мА (преобразователь напряжение-ток). Напряжение на правом конце R8 задает этот ток. Измерение тока делается резистором R3. Для повышения точности делитель R6,R7 подключен к R3 не напрямую, а через повторитель.

В результате ток фотодиода делится на две части: основная часть течет через R1, R2 в источник тока, а разница - в трансимпедансную схему IC2A,R5. Дальше цепь измерения выходного сигнала очевидна, а еще есть цепь задания тока IC1A. Она работает так. На C2 и IC2B сделана схема выборка-хранение. C2 запоминает напряжение, IC2B потом его воспроизводит. Это напряжение подается на вход прецизионного источника тока (резистор R8). Таким образом, выход всей схемы (показания вольтметра) есть разность сигнала с фотодиода и значения, запомненного в C2. Запоминание осуществляется замыканием ключа S1 (скорее всего, это электронный ключ, срабатывающий много раз в секунду от тактового генератора). IC3A осуществляет необходимое усиление или ослабление или сдвиг нуля и фактически регулирует чувствительность всей схемы - здесь номиналы не проставлены умышленно.


Но. Если вы говорите, что вы хотите чувствительный поляриметр сделать, тогда скорее всего лучше иначе поступить. Возьмите два скрещенных поляризатора - оба под 45 градусов к лучу, но под 90 градусов друг к другу. Лучше всего, наверное, вообще поляризационный делитель вроде призмы Глана. Поставьте ДВА фотодиода и сделайте схему, которая измеряет РАЗНОСТЬ токов. В самых общих чертах, суть схемы такая: оба фотодиода включаются последовательно, а токоизмерительный отвод - между ними. Тогда в отвод пойдет как раз разбаланс фотодиодов. Подобная схема используется в стабилизированных He-Ne лазерах вроде ЛГН-303 для измерения их поляризации (у них с поляризации обратная связь на подогреватель, который держит температуру трубки). Могу набросать эту схему, она гораздо проще. (Хотя, кажется, я ее уже рисовал где-то тут на форуме).

[Gall]

Вот как это делается.

IC1A с резисторами R1+R2 образует первый трансимпедансный усилитель. Его выход можно видеть на приборе P1, и это просто освещенность D1, ничего особенного. IC1B делает ему защиту.

Выход этого усилителя через цепь R4+R3 подается на фотодиод D2. Ток через R4+R3 точно такой же, как через R1+R2, поскольку напряжения на фотодиодах равны. Эти резисторы должны быть равны очень-очень точно, поэтому они составные - из большого прецизионного резистора и маленького, подбираемого при регулировке. (При необходимости можно в роли R1 и R3 использовать цифровой потенциометр).

IC2A с резистором R5 образует второй трансимпедансный усилитель. Токи фотодиодов разные, а токи R4 и R2 равны, разница как раз уходит в R5. Здесь я нарисовал R5 в 10 раз больше, но это не играет особой роли - все резисторы можно делать такими, какими удобно. Защита IC2B, тут все очевидно. В результате P2 показывает чистую РАЗНОСТЬ освещенностей фотодиодов, и усиление в этой цепи можно делать сколь угодно большим.

Равенство напряжений на фотодиодах обеспечивается тем, что они оба подключены к "виртуальным землям", образованным на инвертирующих входах ОУ. Если нужно, можно подать и смещение - но обязательно одинаковое на оба ОУ (выводы 3 соединить вместе).

Вы можете заметить, что схема представляет собой по сути измерительный мост, образованный R1+R2:D1 и R3+R4:D2. Этот мост питается от IC1A, а IC2A измеряет разбаланс моста. Действительно, вывод 3 IC2A можно подключить вместо земли к левому плечу моста (точке соединения D1 и R2), и от этого ничего не изменится.

Операционные усилители должны быть хорошими. Поскольку на фотодиодах "виртуальная земля", можно выкинуть IC1B и IC2B вообще, а защитные кольца просто заземлить.

Есть еще супер-простая схема (работает, когда есть два очень одинаковых фотодиода под нулевым смещением). Надо просто замкнуть фотодиоды накоротко (сделать из них кольцо) и подключить к обычному усилителю фотодиода. То есть, точно так же, как включают один фотодиод, только включить два фотодиода параллельно-встречно. Теперь основной ток пойдет накоротко через фотодиоды, а в усилитель пойдет только разность.

[diant]

Галл, здорово! Вторая схема с двумя дифференциальными фотодиодами понятна сразу. Еще более проста идея с кольцевым включением двух фотодиодов.
Да, защитное кольцо там вполне можно заземлить. Я даже подумал, что и в первой вашей схеме можно тоже обойтись без защитного кольца и соответственно выбросить IC4A, если точку соединения D1, R1, R5 и IC2A просто смонтировать в воздухе или на тефлоне. Верно?

Теперь по оптической части второй схемы
> Возьмите два скрещенных поляризатора - оба под 45 градусов к лучу, но под 90 градусов друг к другу.
Сделал эскиз. Я правильно понял?



По первой схеме у меня есть несколько вопросов - напишу их чуть позже. Но в целом теперь первая схема стала понятна. Спасибо за подробное объяснение!!!

PS. Забыл сказать. Вчера, пока мы переписывались, я параллельно на макетке собрал простую схему из двух операционников (кстати использую AD820 при двухполярном питании +/-5В от батареек; такие вписываются в категорию "хорошие"?).
Схема такая (на пальцах) - 1-й ОУ простой трансимпеданс с Rf = 2K (и Cf = какой-то... для ограничения полосы и ВЧ шума). Фотодиод включен со смещением. Усиление очень малое конечно, но зато покрывает большой входной диапазон от 0 до 2000мкА. На этом же трансимпедансе я реализовал ручной сдвиг нулевой точки - за счет подстроечного делителя на неинвертирующем входе ОУ (вместо обычной земли как в классическом трансимпедансе). То есть я могу любой сигнал сдвинуть к нулю на выходе 1-го ОУ.

А затем идет простой неинвертирующий усилитель (Gain=50) на таком же AD820.

В итоге как ни странно получил невысокий общий выходной шум Vnoise p-p = 2 mV (учитывая макетку!)
Приведенный ко входу он составит Inoise p-p = 20 нА
Между тем этой схеме доступны входные сигналы до 2000 мкА.
Значит 20 ppm я уже достиг (если мерять сигнал 1000мкА) - это не плохо!

[Gall]

и соответственно выбросить IC4A, если точку соединения D1, R1, R5 и IC2A просто смонтировать в воздухе или на тефлоне. Верно?

Лучше тоже заземлить. Тефлон не спасет: защитное кольцо нужно для предотвращения утечек по пыли, а пыль и на тефлоне бывает. Отдельный ОУ там - перестраховка.

Сделал эскиз. Я правильно понял?

Да. Я бы даже не стал делать зеркальца перед фотодиодом, а просто поставил бы его сбоку от кубика. Можно взять и не кубик, а другой тип поляризационной призмы, тогда можно поставить фотодиоды рядом. У некоторых фирм есть специальные фотодиоды для этих целей - два или четыре в одном корпусе со строго одинаковыми параметрами.

По первой схеме у меня есть несколько вопросов - напишу их чуть позже. Но в целом теперь первая схема стала понятна. Спасибо за подробное объяснение!!!

Не за что! Кстати, у этих схем есть важная особенность: они нечувствительны к изменению яркости луча. Измеряется только разность яркостей. Поскольку абсолютная величина яркости тоже известна, можно сделать компенсацию или обратную связь по яркости, и получится схема, которая регистрирует чистую поляризацию. С одним фотодиодом была бы проблема с флуктуациями яркости, с поляризацией не связанными, и я сомневаюсь, что вообще хоть что-то получилось бы.

PS. Забыл сказать. Вчера, пока мы переписывались, я параллельно на макетке собрал простую схему из двух операционников (кстати использую AD820 при двухполярном питании +/-5В от батареек; такие вписываются в категорию "хорошие"?).

Смотрим. Шум 13 нВ/sqrt(Гц) на ВЧ и 2 мкВ на НЧ, смещение 800 мкВ, ток 25 пА. Первое и второе могут подгадить - они сравнимы с ожидаемой величиной полезного сигнала.

Значит 20 ppm я уже достиг (если мерять сигнал 1000мкА) - это не плохо!

Неплохо. Но в общем-то хорошо согласуется с параметрами именно этого ОУ. Можно использовать ОУ с классическим двуполярным питанием, у них параметры бывают получше.

Например, OPA827: шум 4 нВ/sqrt(Hz) на ВЧ и 0.25 мкВ на НЧ, смещение 150 мкВ, ток 10 пА. Это через пять минут поиска в гугле. Можно, наверное, найти и еще лучше - хотя это уже близко к пределу возможностей.

[diant]

Про пыль согласен. Тогда конечно просто заземление кольца.

Можно взять и не кубик, а другой тип поляризационной призмы, тогда можно поставить фотодиоды рядом.

Если я правильно понял, имеется в виду поляризационный делитель (которого у меня кстати нет). И в этом случае не нужны даже поляризаторы после такого делителя? Просто луч на выходе из кюветы подстраивается таким образом, чтобы его плоскость поляризации была наклонена на 45 гр. по отношению к этому делителю? Верно?

У некоторых фирм есть специальные фотодиоды для этих целей - два или четыре в одном корпусе со строго одинаковыми параметрами.

Первый раз слышу...

Кстати, у этих схем есть важная особенность: они нечувствительны к изменению яркости луча. Измеряется только разность яркостей. Поскольку абсолютная величина яркости тоже известна, можно сделать компенсацию или обратную связь по яркости, и получится схема, которая регистрирует чистую поляризацию. С одним фотодиодом была бы проблема с флуктуациями яркости, с поляризацией не связанными, и я сомневаюсь, что вообще хоть что-то получилось бы.

Могу уже сказать по опыту. Да, такая проблема есть. Эти флуктуации в первый вечер меня сразу удивили. Потом я увидел, что их вызывают крошечные пузырьки и пылинки, которые видны только в луче лазера (а так в жидкости их и не увидишь). Но к счастью оказалось верно и следующее. Если удалить все пузырьки со стенок кюветы и, главное, дать ей отстояться ночь под крышкой - все этой пыле-рассеивающее хозяйство куда-то исчезает. Наверное находит себе пристанище на стенках кюветы...

Что касается "можно сделать компенсацию или обратную связь по яркости" - не совсем понял.
Разве ваша вторая схема (дифференциальная с двумя ФД) уже сама по себе не отсекает колебания яркости? Зачем ей еще что-то делать, если при изменении яркости луча оба PD1 и PD2 отреагируют одинаково и ток в R5 (10M) не изменится?

Мне начинает все больше нравиться дифференциальная схема (замечание вслух).

Смотрим. Шум 13 нВ/sqrt(Гц) на ВЧ и 2 мкВ на НЧ, смещение 800 мкВ, ток 25 пА. Первое и второе могут подгадить - они сравнимы с ожидаемой величиной полезного сигнала.

Да, на уровне самого слабого сигнала. Плюс в том, что AD820 довольно дешев (110 р.). OPA827 раза в 3-4 дороже будет; по параметрам она ощутимо лучше и в качестве первого операционника была бы хороша.

Можно использовать ОУ с классическим двуполярным питанием, у них параметры бывают получше.

Вот не знал. Век живи век учись. А я как-то наоборот симпатизировал ОУ, которые можно и одно-и двуполярно питать.

[Gall]

Можно взять и не кубик, а другой тип поляризационной призмы, тогда можно поставить фотодиоды рядом.

Если я правильно понял, имеется в виду поляризационный делитель (которого у меня кстати нет). И в этом случае не нужны даже поляризаторы после такого делителя? Просто луч на выходе из кюветы подстраивается таким образом, чтобы его плоскость поляризации была наклонена на 45 гр. по отношению к этому делителю? Верно?[/quote]
Верно.

Делители бывают разные. Самые распространенные - это "кубики" Глана-Томпсона. Но можно использовать и старую добрую призму Николя и любые другие поляризационные призмы. Призма Волластона очень удобна - позволяет фотодиоды поставить рядом.

У некоторых фирм есть специальные фотодиоды для этих целей - два или четыре в одном корпусе со строго одинаковыми параметрами.

Первый раз слышу...

Искать по ключевым словам "segmented photodiode" или "split photodiode". Технически они делаются из одного кристалла, поэтому параметры получаются очень одинаковыми.

Могу уже сказать по опыту. Да, такая проблема есть. Эти флуктуации в первый вечер меня сразу удивили. Потом я увидел, что их вызывают крошечные пузырьки и пылинки, которые видны только в луче лазера (а так в жидкости их и не увидишь). Но к счастью оказалось верно и следующее. Если удалить все пузырьки со стенок кюветы и, главное, дать ей отстояться ночь под крышкой - все этой пыле-рассеивающее хозяйство куда-то исчезает. Наверное находит себе пристанище на стенках кюветы...

При достаточно большой чувствительности источник нестабильности всегда найдется Хотя бы внутри самого лазера.

Что касается "можно сделать компенсацию или обратную связь по яркости" - не совсем понял.
Разве ваша вторая схема (дифференциальная с двумя ФД) уже сама по себе не отсекает колебания яркости? Зачем ей еще что-то делать, если при изменении яркости луча оба PD1 и PD2 отреагируют одинаково и ток в R5 (10M) не изменится?

Пусть, для простоты, яркость возросла вдвое. Тогда сигнал с PD1 вырос вдвое и сигнал с PD2 вырос вдвое, значит, разность тоже вырастет вдвое. Для определения поляризации надо не I1-I2 измерять, а (I1-I2)/I1 - отношение разности яркостей к яркости. Тогда будет правильно.

Можно это деление сделать уже после измерения I1-I2 и I1, а можно стабилизировать I1 обратной связью на лазер. А лучше всего сделать и то, и другое - начерно медленной обратной связью и начисто делением.

Можно использовать ОУ с классическим двуполярным питанием, у них параметры бывают получше.

Вот не знал. Век живи век учись. А я как-то наоборот симпатизировал ОУ, которые можно и одно-и двуполярно питать.

А есть еще с rail-to-rail входом, эти вообще можно питать однополярно с землей на плюсе вместо минуса.

Общий принцип тут - бесплатный сыр. Цена любой фичи - ухудшение остальных параметров. Например, цена маленького шума - рост смещения. Если потребовать все параметры высокими, тогда возрастает энергопотребление или падает частотный диапазон. Ну и фичи вроде возможности однополярного питания - они тоже не бесплатны.

Вообще главная плата за однополярное питание и особенно за rail-to-rail - нестабильность выхода при работе на емкостную нагрузку. ОУ, у которых выход может сильно приближаться к шинам питания, всегда имеют на выходе местные ООС и составные транзисторы, которые могут самовозбуждаться, если с выхода ОУ на землю идет конденсатор. Именно поэтому существуют "обычные" ОУ, которые этим не болеют или болеют в меньшей степени.