Jump to content

    

Усилитель для фотодиода с шумом 5 fA/sqrt(Hz) с полосой до 30-50Мгц

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.

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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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?

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
3sk323

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...

 

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.

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. :)

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

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 :)

 

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.

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?

 

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.

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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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.

Share this post


Link to post
Share on other sites

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

Share this post


Link to post
Share on other sites

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.

Share this post


Link to post
Share on other sites
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

Share this post


Link to post
Share on other sites

Есть один операционничек: LMP7721

Input Bias Current 3 fA

Но насчет полосы его не уверен.

LMP7721.pdf

Share this post


Link to post
Share on other sites
Есть один операционничек: LMP7721

Input Bias Current 3 fA

Но насчет полосы его не уверен.

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

Share this post


Link to post
Share on other sites
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

 

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

Share this post


Link to post
Share on other sites
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?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this