Konzept messbares Signal
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- Fanny Ziegler
- vor 5 Jahren
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1 Konzept messbares Signal
2 Infrarot LED - Kathode (langes Beinchen) SFH 4554 von Osram OS Halbleiter: Galliumarsenid (GaAs) Peak-Wellenlänge: 860 nnnn + Anode Spektrale Bandbreite: 30 nnnn Halber Öffnungswinkel: ±10 Kurze Schaltzeiten: 12 nnnn Durchlassspannung: U = 1.7 VV bei II = 100 mmmm Maximaler Durchlassstrom (cw): II = 100 mmmm Kurze Strompulse bis II = 100 mmmm Typischer Strahlstärke II ee = 550 mmmm ssss 1 bei II = 100 mmmm, Pulslänge tt PP = 20 mmmm Gesamtstrahlungsfluss Φ ee = 75 mmmm bei II = 100 mmmm Typischer Strahlstärke II ee = 550 mmmm ssss 1 bei II = 100 mmmm 2
3 Infrarot LED SFH 4554 von Osram OS Quelle: 3
4 Infrarot LED SFH 4554 von Osram OS Quelle: 4
5 Raumwinkel Fläche der Kugelkalotte / Radius² Ω = AA rr 2 sr Einheit: Steradian [sr] A Gesamtoberfläche der Kugel: Ω = 4 ππ sr Für eine radial abstrahlende Punktlichtquelle im Ursprung der Kugel ist die Leistung pro Steradian konstant (unabhängig vom Radius). r Die Intensität (Leistung pro Fläche) fällt mit 1/r² ab. 5
6 Infrarot LED SFH 4554 von Osram OS A θθ r Quelle: 6
7 Raumwinkel Fläche der Kugelkalotte AA = 2ππrr 2 1 cos θθ Ω = 2ππrr2 1 cos θθ rr 2 sr=2ππ 1 cos θθ A Beispiel SFH4554: Typischer Strahlstärke II ee = 550 mmmm ssss 1 Halber Öffnungswinkel: ϑ = 10 Ω = sr Abschätzung Gesamtstrahlungsfluss: Φ ee = 550 mw sr sr = 53 mw θθ r 7
8 Rote LED LSG6SP von Osram OS Flächenemitter: Lambertscher Strahler Lambertsches Cosinus-Gesetz: II θθ = II mmmmmm cos θθ Gesamtstrahlungsfluss Φ ee = 220 mmmm bei II FF = 140 mmmm Maximale Strahlstärke II ee = 70 mmmm ssss 1 Für Lambertschen Strahler gilt Φ ee = ππ sr II ee Quelle: 8
9 Rote LED LSG6SP von Osram OS Maximale Strahlstärke II ee = 70 mmmm ssss 1 in diese Richtung Quelle: 9
10 Infrarot LED SFH 4554 von Osram OS Maximale Strahlstärke II ee = 550 mmmm ssss 1 in diese Richtung Quelle: 10
11 Infrarot LED SFH 4554 von Osram OS Strahlstärke und Strahlungsfluss etwa proportional zum Strom II ee = 550 mmmm ssss mmmm = 8.2 mmmm 100 mmmm ssss 1, Φ ee = 75 mmmm bei II = 1.5 mmmm 1.5 mmmm 100 mmmm = 1.1 mmmm Quelle: 11
12 Infrarot LED RR II ee = 8.2 mmmm ssss 1 Aktive Fläche: AA PPPP = 7.02 mmmm 2 Einfallende Leistung auf der Fläche der Photodiode im Abstand R = 10 mm: Φ ee = 8.2 mw sr 1 AA PPPP 7.02 mmmm2 sr = 8.2 mw sr 1 = mmmm RR2 100 mmmm2 12
13 Photostrom RR 860 nnnn RR II ee = 8.2 mmmm ssss 1 Einfallende Leistung auf der Fläche der Photodiode im Abstand R = 1 cm: Φ ee = 8.2 mmmm ssss 1 AA PPPP 7.02 mmmm2 = 8.2 mmmm ssss 1 = mmmm 4 ππ RR2 100 mmmm2 Photostrom = Responsivität x einfallende Lichtleistung II PPPP = 0.62 AA WW 70 μμμμ = 43 µaa 13
14 Detektion der Puls-Frequenz: Messung eines kleinen oszillierenden Signals auf einem großen Hintergrund UU PPPPPPPP = VV = 28 mmmm z.b. UU oooooo = 2.8 VV 14
15 Operationsverstärker (OpAmp) Idealer Verstärker: die Differenz der beiden Eingänge + und - wird sehr hoch ( fach) verstärkt. UU iiii - + UU oooooo Bezugsspannung (oft Ground) 15
16 Operationsverstärker (OpAmp) Rückkopplung ist notwendig, um eine sinnvolle und stabile Verstärkund einzustellen. Grundschaltung invertierender Verstärker Verstärkung UU oooooo UU iiii = RR 2 RR 1 RR 2 UU iiii RR UU oooooo Bezugsspannung (oft Ground) 16
17 Operationsverstärker (OpAmp) Transimpedanzverstärker: Strom Spannung Abgeleitet aus intervierendem Verstärker. Verstärkung UU oooooo UU iiii = RR 2 RR 1 RR 2 UU iiii RR 1 II iiii - Mit II iiii = UU iiii RR iiii + UU oooooo folgt UU oooooo = RR 2 II iiii Bezugsspannung (oft Ground) 17
18 Operationsverstärker (OpAmp) Transimpedanzverstärker: Strom Spannung Abgeleitet aus intervierendem Verstärker. Verstärkung UU oooooo UU iiii = RR 2 RR 1 RR 2 II iiii - Mit II iiii = UU iiii RR iiii + UU oooooo folgt UU oooooo = RR 2 II iiii Bezugsspannung (oft Ground) 18
19 Transimpedanzverstärker RR ffffffffffffffff Rückkopplungs-Widerstand RR FFFFFFFFFFFFFFFF in Ω II FFFF Responsivity RR λλ in AA/WW Licht-Intensität II λλ in WW Wellenlänge λλ in nnnn II PPPP PPPP - + UU oooooo,tttttt UU oooooo = RR FFFFFFFFFFFFFFFF II PPPP = RR FFFFFFFFFFFFFFFF RR λλ II λλ Photostrom II PPPP = 28 µaa UU oooooo = 100 kkω 43 µaa = 4.3 VV UU oooooo = 1 MMΩ 43 µaa = 43 VV VV DDDD = 5VV Zu große Verstärkung Verstärker in Sättigung (d.h. UU oooooo VV DDDD ) Quelle: Thorlabs 19
20 Separierung von statischem und zeitabhängigem Signal UU PPPPPPPP = VV = 28 mmmm z.b. UU oooooo = 2.8 VV 20
21 Transimpedanz-Verstärker RR ffffffffffffffff II PPPP - PPPP + UU oooooo,tttttt 21
22 Transimpedanz-Verstärker Verstärker Transimpedanzverstärker RR ffffffffffffffff (Nicht invertierender) Verstärker RR 1 II PPPP PPPP - + UU oooooo,tttttt UU rrrrrr UU iiii RR UU oooooo UU rrrrrr Verstärkung UU oooooo = UU iiii RR 1 + RR 2 RR 1 UU rrrrrr 22
23 Transimpedanz-Verstärker + Hochpass-Filter + Verstärker Transimpedanzverstärker RR ffffffffffffffff RC-Hochpass (Nicht invertierender) Verstärker RR 1 II PPPP PPPP - + UU oooooo,tttttt CC TTTT UU iiii RR UU oooooo RR TTTT 23
24 Hochpass 3 db Grenzfrequenz (UU oooooo = 1 2 UU iiii) ff cc = 1 2ππππππ Frequenzabhängige Dämpfung der Amplitude z.b. RR = 22 kkω und C = 10 μμff ff cc = 0.72HHHH UU iiii CC TTTT UU oooooo RR TTTT 24 Quelle: Wikipadia
25 Transimpedanzverstärker RR ffffffffffffffff RC-Hochpass (Nicht invertierender) Verstärker RR 1 II PPPP PPPP - + UU oooooo,tttttt CC TTTT UU iiii RR UU oooooo RR TTTT 0 VV 0 VV 25
26 Rauschen wird auch verstärkt Rauschen einer Photodiode: Schrotrauschen (shot noise) des pn-übergangs ( einzelne Elektronen ) Schrotrauschen (shot noise) des Photostroms ( einzelne Photonen ) Thermisches Rauschen (Johnson noise) der Photodiode (shunt resistance) 26
27 Rauschen wird auch verstärkt Dunkelstrom hängt von Fläche, Güte und Temperatur der Photodiode ab Sehr rauscharme Photodiode S1226 II dddddddd 1 pppp Standard-Photodiode BPW 34 II dddddddd 1 nnnn 1 μμμμ 27
28 Bandbreiten-Abhängigkeit des Rausch-Signals Die Amplitude des Rausch-Signals ist proportional zur Quadratwurzel der Bandbreite, über die das Rauschen aufgenommen wird. Noise Equivalent Power (NEP): Die einfallende optische Leistung, die den gleichen Strom generiert, wie der vom Rauschen generierte Strom. Einheit von NEP ist WW, also Leistung pro Wurzel Herz HHHH 28
29 Bandbreiten-Abhängigkeit des Rausch-Signals z.b. BPW 34: NNNNNN = WW/ HHHH Leistung in 1 MHz Bandbreite (z.b. Oszilloskop): PP NNNNNN = WW HHHH 1 MMMMMM = WW = 41 pppp Leistung in 1 Hz Bandbreite: PP NNNNNN = WW HHHH 1 HHHH = WW = 41 ffww 29
30 Bandbreiten-Abhängigkeit des Rausch-Signals z.b. BPW 34: NNNNNN = WW/ HHHH Leistung in 1 MHz Bandbreite (z.b. Oszilloskop): PP NNNNNN = WW HHHH 1 MMMMMM = WW = 41 pppp Beispiel IR LED: Einfallende Leistung auf der Fläche der Photodiode im Abstand R = 1 cm: Φ ee = 70 μμww 41 pppp 30
31 Rauschen der Elektronik Transimpedanzverstärker Antennen BPW 34 31
32 Rauschen der Elektronik Es ist nicht trivial, das niedrige Rauschen von Photodioden in einer Schaltung umzusetzen. Verstärkt man ein verrauschtes Signal, wird das Rauschen mitverstärkt. Eine Bandbreitenunterdrückung (Hoch-, Tief- und Band-Pass) reduzieren die Rauschamplitude. 32
33 Transimpedanz-Verstärker + Hochpass-Filter + Verstärker Transimpedanzverstärker RR ffffffffffffffff RC-Hochpass (Nicht invertierender) Verstärker RR 1 II PPPP PPPP - + UU oooooo,tttttt CC TTTT UU iiii RR UU oooooo RR TTTT 33
34 OpAmp als invertierender Verstärker & Tiefpass CC TTTT Verstärkung UU oooooo UU iiii = ZZ RRRR RR 1 RR 2 UU iiii RR 1 - Impedanz (komplexer Widerstand) im Rückkopplungszweig ist Parallelschaltung von Widerstand und Kapazität: + UU oooooo 1 ZZ RRRR = 1 RR 2 + iiωωωω Bezugsspannung (oft Ground) 34
35 OpAmp als invertierender Verstärker & Tiefpass CC TTTT 1 ZZ RRRR = = 1 + iiωωωω RR 2 RR iiωωωωrr 2 RR 2 UU iiii RR UU oooooo UU oooooo UU iiii = ZZ RRRR RR 1 = RR 2 RR iiωωωωrr 2 Verstärkung x Tiefpass Bezugsspannung (oft Ground) 35
36 RC-Tiefpass 1. und 2. Ordnung Kapazität CC = 1 µf Widerstand RR = 47 kω Grenzfrequenz: ff 0 = 3.4 Hz ff 0 = ωω 0 2ππ = 1 2ππ RR CC 1. Ordnung 2. Ordnung ff 0 36
37 OPT101: Integrierte Photodiode mit Transimpedanzverstärker Verstärker optimal abgestimmt auf Photodiode Optimale Ankopplung / geringe Kabellänge (Antenne) Integriertes Rückkoppel-Netzwerk (mit externen Bauelementen variierbar) 37
38 OPT101: Integrierte Photodiode mit Transimpedanzverstärker Verstärker optimal abgestimmt auf Photodiode Optimale Ankopplung / geringe Kabellänge (Antenne) Integriertes Rückkoppel-Netzwerk (mit externen Bauelementen variierbar) 38
39 OPT x Hochpass + 2x Verstärker/Tiefpass RC-Hochpass Verstärker & Tiefpass RC-Hochpass Verstärker & Tiefpass CC TTTT - CC TTTT UU oooooo RR TTTT RR TTTT 39
40 Projekt / Blockveranstaltung Fertigstellung von Projekt Dokumentation Präsentation Vorstellung des Projekts Begehung aller Projekte Gemeinsame Diskussion Zwei Tage, am besten mit 1 bis 2 Wochen dazwischen Mögliche Termine: Do/Fr/Sa/So 10. bis 13. oder 17. bis 20. oder 24. bis 27. Januar
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