Gruppe: 1/8 Versuch: 4 PRAKTIKUM MESSTECHNIK VERSUCH 5. Operationsverstärker. Versuchsdatum: Teilnehmer:

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1 Gruppe: 1/8 Versuch: 4 PRAKTIKUM MESSTECHNIK VERSUCH 5 Operationsverstärker Versuchsdatum: Teilnehmer:

2 1. Vorbereitung 1.1. Geräte zum Versuchsaufbau Lawinendiode Photomultiplier CCD Kamera Microchannelplate Diskriminator Counter 1.2 Signaltypen TTL ECL NIM 1.3 Trigerschwelle 1.4 Bandbreite 1.5 Versuchsaufbau 2. Versuch 2.1 Justieren der Photodiode 2.2 Counter triggern 2.3 Referenz Messung 2.4 Eigentliche Messung

3 1. Vorbereitung 1.1. Geräte zum Versuchsaufbau Lawinendiode Diese Diode wird kurzzeitig in Sperrrichtung mit einer Gatespannung beschaltet, die größer als die Durchbruchspannung ist. Es befinden sich keine freien Ladungsträger in der Sperrschicht. Trifft nun ein Photon auf die Diode, reißt dieses ein Elektron aus seiner Bindung, welches durch das Elektrische Feld beschleunigt wird, und selber wieder andere Elektronen aus deren Bindung reißt. Mann spricht vom Lawinen-Effekt. Dieser Effekt kann aber auch durch einen Thermischen Durchbruch ausgelöst werden Photomultiplier Sie sind im Sichtbaren Spektralbereich empfindlich, und erzeugen an ihrem Ausgang ein Signal, dessen Amplitude von der Anzahl der auf den Eingang auftreffenden Photonen abhängt CCD Kamera Die Kamera besteht aus Photodioden, die je nach Lichteinstrahlung ein unterschiedliches Signal erzeugen. Mit einer geeigneten Software, lassen sich diese Signale in ein Bild zurückrechnen Microchannelplate Das Photon trifft auf einen der unzähligen Channel und wird durch die außen angelegte Spannung beschleunigt. Auf dem Weg durch den Channel reißt das Photon Elektronen aus deren Bindung. Aus dem Channel treten in der Regel etwa 10³ Elektronen aus, man erhält also eine Verstärkung des Signals von Dieses Prinzip wird häufig für Nachtsichtgeräte bzw. Restlichtverstärker verwendet Diskriminator Der Constant Fraction Diskriminator erzeugt ein Standard Ausgangssignal, wenn am Eingang auch nur ein Bruchteil eines Eingangssignals anliegt Counter Der Laufzeitzähler mist mit einer Genauigkeit von wenigen Pikosekunden das Zeitintervall zwischen Start- und Stopimpuls.

4 1.2 Signaltypen TTL 5V Das TTL Signal ist langsam, aber gut zu erfassen ECL -0,9V -1,8V Das ECL Signal ist schnell und Drahtbruchsicher (keine ) aber hat eine hohe Leistung NIM -0,6V Das NIM Siganl ist schnell und es sind somit hohe Frequenzen möglich 1.3 Trigerschwelle 2,5V 5V Ab diesem Pegel wird eine logische 1 erzeugt 1.4 Bandbreite Verschiedene Bauteile sind auf einen Bestimmten Frequenzbereich ausgelegt. Wird dieser überschritten, wird auch der Messfehler größer, bzw. es wird gar nicht mehr das gemessen was gemessen werden sollte.

5 1.5 Versuchsaufbau Impulsgenerator Ps -pulser Stop Gate Output Counter Start Avalanche Diode CFD HS Photodiode Verstärker Reflektor Der Impulsgenerator sendet ein Signal an den PS-Pulser, dieser sendet einen Optischen Impuls auf den halbdurchlässigen Spiegel, und er gibt eine Gate-Spannung auf die Avalanche Diode. Der Impuls wird zu 96% auf den Reflektor gespiegelt und 4% durch den Spiegel auf die Photodiode geschickt. Die Photodiode erkennt den optischen Impuls und wandelt ihn in ein Elektrisches Signal um. Der Verstärker verstärkt das Signal und sendet es an den Costant Fraction Discriminator weiter, dieser Wandelt das Signal in ein Standard Ausgangssignal, das auf den Counter geschickt wird. Dieser beginnt nun zu zählen. Die 96% des Optischen Signal werden durch den Reflektor auf die Avalanche Diode reflektiert. Diese gibt einen Impuls aus, der den Stop am Counter auslöst. 2. Versuch 2.1 Justieren der Photodiode Es wurde die Photodiode direkt an das Oszilloskop angeschlossen, und ein optischer Impuls auf die Diode gebracht. Die Diode wurde so lange justiert bis ein maximales Signal am Oszilloskop zu erkennen war. 600ps -45mV -90mV Die Impulsbreite betrug 600ps und die Amplitude -90mV. Die maximale Darstellung des Oszilloskops beträgt 1 Ghz, also eine Auflösung bis zu 1 ns.

6 Der Verstärker wurde nun zwischen der Diode und dem Oszilloskop geschaltet, dabei musst man aufpassen und nicht an das Kabel des Pulsers kommen, da sich sonst eine Abweichung einstellte. 1ns 213mV 426mV Der Verstäker ändert die Amplitude, aber auch die Impulsbreite, das hängt mit der maximalen Bandbreite des Verstärkers zusammen. Die Verstärkung berechnet sich aus: V = 426mV 90mV = 4,73 Zwischen den Verstärker und dem Oszi wird nun der CFD zwischengeschaltet, die Triggerschwelle auf die Hälfte von Ue eingestellt, und das Ausgangssignal am Oszilloskop betrachtet. 2,1ns -390mV -780mV Das Signal wird also vom CFD komplett neu aufgebaut. Das Eingangssignal mit der Amplitude von -426mV und der Impulsbreie von 1ns wird in ein Ausgangssignal der Amplitude -780mV und der Impulsbreite 2,1 ns umgewandelt. 2.2 Counter triggern Laser A B Gate C D

7 A= 100ns B= 1,1us C= 0 D= 50ns Diese Einstellungen wurden am Counter übernommen. Zwischen C und D wird die Gatespannung erzeugt um die Avalanche Diode einzuschalten, sie bleibt etwa 10 ms im Eingeschalteten Zustand (Thermischer Durchbruch ausgenommen). In 50ns Abstand wird dann das optische Signal zwischen A und B erzeugt. 2.3 Referenz Messung Der Versuch wird komplett aufgebaut, der Reflektor wird direkt vor den Holzkasten gestellt, um eine Referenzmessung zu machen. Der Ausgang der Avalanche Diode und der Ausgang der Photodiode werden auf dem Oszilloskop dargestellt. Dabei wurde festgestellt, das die Avalanche Diode eher auslöst als die Photodiode, somit würde das Stop-Signal für den Counter eher kommen als das Start-Signal. Nach einiger Überlegung kam uns die Idee, die Laufzeit des Versuchsaufbaus mit Hilfe eines langen Kabels, das zwischen den Impulsgenerator und dem Pulser verlegt wurde, auszugleichen. Jetzt war das Startsignal zuerst auf dem Oszilloskop zu erkennen und dann das Stopsignal. Auf dem Oszilloskop waren aber auch immer wieder Thermische Durchbrüche der Avalanche Diode zu beobachten, welche zufällig und vor dem eigentlichen Stopsignal auftraten. Deshalb wurden pro Messung 1000 Messwerte von Matlab automatisiert aufgenommen, und in eine txt Datei gespeichert. Diese Werte wurden in Matcad geladen, und dort mit einem Arbeitsblatt, der Durchschnittswert und die Standardabweichung berechnet. Der Counter wurde nun angeschlossen, und für die Referenzmessung ergab sich ein Wert von 11,154 ns mit einer Standardabweichung von 0,098 bei 832 erfolgreichen Messungen. 2.4 Eigentliche Messung Für die eigentliche Messung ergaben sich die Werte, wie sie im Beiblatt eingefügt sind. Es gab 3 Fehlmessungen, bei 51%, 83% und 92%, bei diesen Messreihen lag der Druchschnittswert bei 33ns und nicht wie bei den anderen Messreihen bei 29ns. Hier muss sich ein Fehler im Versuchsaufbau eingeschlichen haben, der nicht gefunden werden konnte. (Wahrscheinlich der Counter) Die Abweichungen sind sehr unterschiedlich, sie sollte mit der Anzahl der durchgelassenen Photonen steigen. In der Messung war dies nicht der Fall, sondern im Gegenteil, bei der größten Anzahl an druchgelassenen Photonen, war die kleinste Abweichung zu verzeichnen. Das lag wohl daran, dass es mehr Messwerte gab und somit die Abweichung in der Berechnung geringer ausfiel. m (28,23ns ±? 11,154ns ±?) l = s = 2, 56m 2 Der gemessene Wert mit einem Meterstab liegt bei 2,57m.