Limitación de la interferencia actual en el circuito del amplificador fotomultiplicador

He estado trabajando en un circuito por un tiempo ahora. Es un circuito que consta de 4 fotomultiplicadores de silicio, MicroFJ-60035-TSV, en paralelo, todos dentro de un circuito de amplificador operacional. Publiqué preguntas al respecto antes con respecto a problemas separados al respecto, y aprendí un poco más al estudiar cómo funciona el circuito. Puedes verlo en la imagen de abajo junto con una de mis simulaciones. Disculpas por el diseño desordenado de la pieza.

Esquema y Simulación

En el circuito, he conectado el cátodo a tierra y estoy leyendo la corriente del ánodo. Quería obtener la forma de pulso correcta como se muestra en la documentación, así que sigo la recomendación de leer desde el ánodo. Planeo leer del cátodo una vez que el circuito esté finalizado y no en simulación. Estoy usando fuentes de voltaje conectadas a las partes del fotomultiplicador para controlar cuándo se 'disparan'. Las resistencias de 1 microOhm están ahí para que pueda leer la corriente que proviene de los sensores. Pensé que una resistencia baja no afectaría mucho al circuito, pero idealmente, no habría resistencia allí.

Me estoy enfrentando a dos problemas en este momento. El primer problema es con la corriente proveniente de los fotomultiplicadores. Puede ver en los resultados de la simulación a la izquierda que cuando uno de los fotomultiplicadores se dispara, parte de la corriente también regresa a los otros fotomultiplicadores. ¿Qué puedo hacer al respecto para eliminarlo o controlarlo para que esto no suceda?

Mi próximo problema es con el circuito de retroalimentación. Al leer, descubrí que el circuito del amplificador operacional convierte la señal actual en una señal de voltaje, y el circuito de retroalimentación actúa como un filtro de paso bajo para filtrar el ruido de alta frecuencia. Puede ver otra prueba a continuación donde se dispararon tres fotomultiplicadores a la vez.

Resultados de la prueba con tres SiPM disparando a la vez

Aumenté la capacitancia para tratar de reducir el ruido de los 4 fotomultiplicadores paralelos, pero tengo problemas con el tiempo de subida y el recorte. El tiempo en el que dispararon tres tuvo un tiempo de subida más rápido en comparación con el que disparó solo una vez. Sin embargo, el voltaje parece haberse recortado, permaneciendo igual después de cierto punto. ¿Hay algo que se pueda hacer respecto a eso? Siempre parece haber una compensación entre la frecuencia de corte y el tiempo de subida.

ACTUALIZACIÓN: cambié mi esquema para que ahora esté leyendo desde el cátodo en lugar del ánodo. La corriente de los sensores parece un poco más desordenada, pero la salida ahora es positiva como estaba planeando. El circuito no requiere polarización. Ya está hecho en el modelo de la pieza. Mi equipo ahora está buscando una mejor relación señal-ruido para el circuito, entonces, ¿qué puedo hacer en mi circuito para mejorar la SNR?

Esquema actualizado, lectura del cátodo

¿Tiene un enlace para la hoja de datos para el Si pmt?
Aquí hay un enlace a la página del producto que tiene enlaces al manual del usuario y la hoja de datos: sensl.com/products/j-series
Sus salidas ahora parecen estar recortadas; debe reducir su ganancia de transimpedancia.
Ejecuté algunos números con MATLAB, centrándome en la resistencia de retroalimentación (100 y 50 ohmios) y la capacitancia a 12pF. Si reduzco la resistencia, reduzco la ganancia de salida y mejoro el recorte, la frecuencia de corte se vería afectada, reduciéndola de alrededor de 7,8 MHz a 1,56 MHz y el ancho de banda general. Sin embargo, con la capacitancia relativamente grande y con la frecuencia de corte en el rango de MHz, ¿realmente no debería importar demasiado en términos de cancelación de ruido?
Lo siento, me equivoqué. Reducir la resistencia de 100 a 50 ohmios aumentaría la frecuencia de corte de 78 MHz a 156,9 MHz, ampliando el ancho de banda y permitiendo más ruido.
¿Puedes describir los problemas de ruido que estás viendo? Mi experiencia con los SiPM ha sido que los pulsos de corriente son tan grandes en relación con el ruido de entrada del amplificador operacional que el ruido es esencialmente insignificante.
@ usuario101402, gracias. pero tengo que ingresar información para ver una hoja de especificaciones... no, gracias.

Respuestas (3)

¡Me alegra ver que alguien más está usando fotomultiplicadores de silicio! Son dispositivos ingeniosos, he estado jugando con ellos recientemente en un proyecto.

En primer lugar, no veo un sesgo en el dispositivo; recuerde, debe sesgar el fotomultiplicador de silicio más allá de su punto de ruptura de avalancha para obtener cualquier avalancha en respuesta a los fotones. Si bien el modelo SPICE puede darle un pulso de corriente cuando activa la entrada de fuego, este no es el comportamiento real del dispositivo. En su caso, el cátodo conectado a tierra debe elevarse hasta aproximadamente 27,5 V para polarizar el funcionamiento del dispositivo SensL.

A menos que el costo sea un problema importante, usaría cuatro amplificadores de transimpedancia para leerlos, uno para cada canal. Esto resolverá su problema de retroalimentación. Algo como el OPA4354 (4 amplificadores, GBWP de 250 MHz, $ 8 en sencillos) podría funcionar para usted. Dado que los SiPM en sí mismos son un poco más caros que esto, probablemente no romperá el presupuesto. Si necesita agregar los canales en analógico, esto se puede hacer fácilmente después con un verano resistivo.

Tenga en cuenta que si lee en el ánodo con un amplificador de transimpedancia, la señal de su amplificador de transimpedancia se invertirá. Esto no es un problema si tiene suministros bipolares o usa una tierra virtual, pero pensé que debería mencionarlo. Si no recuerdo mal, se prefieren las lecturas de ánodo de los dispositivos SensL para la velocidad, ya que el cátodo está conectado a la tierra del paquete y tiene una mayor capacitancia.

El ruido no debería ser un problema con una configuración de SiPM, ya que los pulsos de corriente son discretos (1 altura de pulso = 1 fotón) y los picos están muy por encima del ruido de fondo en un circuito diseñado correctamente. Omitiría el capacitor de retroalimentación en el circuito opamp por completo a menos que tenga problemas de timbre. Como probablemente haya supuesto, agregar el capacitor de retroalimentación en paralelo con la resistencia de retroalimentación crea un filtro de paso bajo, que afectará directamente su tiempo de subida. Por lo tanto, solo haga esto si necesita combatir el timbre.

Finalmente, si necesita tiempos de subida extremadamente agudos, consideraría usar la salida rápida acoplada capacitivamente del dispositivo SensL. Esto se describe en el manual de la serie C.

Gracias por su respuesta. SensL dijo que su modelo no requería sesgo en la simulación. Está hecho en su modelo, por lo que no hay necesidad de una polarización externa en el cátodo. Mi equipo y yo ya hicimos un circuito donde cuatro SiPM (ánodo polarizado a -30 V) tenían su propio amplificador individual. Nos preguntábamos cómo sería la salida si entraran en un amplificador. Disculpas, modifiqué mi circuito para que se lea desde el cátodo, por lo que la salida es positiva. Necesitamos tener una relación SNR alta para combatir el ruido como dijiste, por lo que hay una compensación aquí. Tendré que hablar con mi equipo al respecto.
@ user101402 ¡Parece que estás en el camino correcto! Probablemente podría hacer que algo funcione con un amplificador poniendo resistencias de balasto del SiPM a tierra y haciendo un amplificador sumador, pero eso introducirá ruido y tendrá que tener todo bien balanceado. Teniendo en cuenta lo barato que es un amplificador operacional cuádruple en comparación con el costo de un SiPM, diría que vale la pena cuatro circuitos separados :)
Ah, también, dado que le preocupan los tiempos de subida bruscos, el diseño físico es importante. Cree el diseño en una PCB y tenga en cuenta los principios de diseño de alta velocidad.
Gracias por tus comentarios. No estoy familiarizado con las resistencias de balasto, así que hice una búsqueda rápida sobre ellas. Parecen bastante grandes y voluminosos para un circuito pequeño. Si introducirá más ruido en el circuito, entonces parecería que este enfoque podría no valer la pena. ¿Qué tipo de resistencias de balasto estabas mirando? Los que vi parecen demasiado grandes para una placa PCB pequeña.
Debo aclarar: por "resistencia de balasto" me refiero al papel de la resistencia (una resistencia limitadora de corriente), no a un tipo particular de resistencia. Una resistencia utilizada para limitar la corriente a un pequeño indicador LED podría ser un diminuto 0201 de 0,6 x 0,3 mm, pero seguiría funcionando como una resistencia de balasto. Dibujaré un diagrama de lo que estoy proponiendo después del trabajo. Sin embargo, sigo pensando que usar un amplificador operacional cuádruple de $ 8 con un verano resistivo después es el mejor enfoque, especialmente porque esos SiPM cuestan como $ 100 cada uno.
@PeterK, gracias por el manual de usuario. ¿Son estas cosas SPAD? ((foto)diodos de avalancha de fotón único)
@PeterK ¿Por qué sugiere este amplificador operacional en lugar del 656? La velocidad de giro es más pequeña, ¿eso no haría que el tiempo de subida fuera más lento? En un proyecto relacionado, estoy tratando de mejorar el tiempo de subida de los detectores independientes mientras mantengo la ganancia alta. Hasta ahora, he obtenido un aumento de 27 ns al pasar de 0 a 1,5 V, pero estoy tratando de hacerlo más rápido. electronics.stackexchange.com/questions/320473/…

Su primer problema probablemente se corregiría mejor almacenando en búfer la salida de cada multiplicador en su propio voltaje y luego sumándolos en el amplificador final.

El segundo problema se manejaría mejor con un filtro de derivación RC clásico en lugar del tipo de integrador que ha elegido.

Gracias por su respuesta. Pido disculpas; No estoy del todo familiarizado con los circuitos amplificadores aparte de los básicos, por lo que esta es una experiencia de aprendizaje para mí. ¿Cómo haría para almacenar en búfer la salida de los multiplicadores con componentes pasivos?
@ user101402 no puede con pasivo, necesitaría agregar un amplificador operacional para cada canal. o potencialmente un circuito de transistor.
Gracias por su respuesta. Tenía la esperanza de evitar el uso de más amplificadores operacionales. ¿Por qué dices que sería mejor un filtro de derivación RC clásico? ¿Es porque estoy leyendo del ánodo? Cambié mi esquema para que ahora esté leyendo desde el cátodo, y una imagen de mi nuevo esquema está en la publicación.
@user101402 El filtro de retroalimentación está diseñado para usarse en señales de CA que no tienen polarización y se integran a cero.
@ user101402 Entiendo su deseo de usar solo un amplificador operacional, pero hace la vida mucho más fácil cuando puede aislar las cosas de esa manera, especialmente cuando las cosas no funcionan de la manera esperada. A veces eso solo vale los pocos dólares extra.
Gracias por su respuesta. Mi equipo y yo ya construimos una placa que involucra 4 SiPM separados polarizados al mismo voltaje, cada uno con su propio circuito amplificador en canales individuales. Solo estábamos tratando de ver cómo se comportaría si se sumaran todos juntos en un amplificador en lugar de individualmente.

Necesita un búfer de voltaje (suponiendo que realmente desea aislar los diodos en su modelo, así puede ser o no cómo funciona el mundo real).

Utilice un amplificador operacional universal o un amplificador operacional ideal que se encuentra en la carpeta Devices\opamps. Recuerde las características de los amplificadores operacionales ideales, pueden generar una corriente infinita, etc.

Si solo desea 'copiar' un voltaje a un nodo, use una fuente B o, en este caso, cuatro de ellos

Gracias por su respuesta. ¿Cómo solucionaría un búfer de voltaje el problema de la corriente de los sensores de disparo que regresan a otros sensores? Es una señal de corriente proveniente de los fotomultiplicadores, no una señal de voltaje. Intenté usar un seguidor de voltaje de amplificador operacional solo para uno de los sensores, reemplazando la resistencia con un amplificador operacional ideal. Hizo que el voltaje de salida se mantuviera constante durante mucho tiempo y el tiempo de caída fue demasiado largo. Puede ver esto en el siguiente enlace: drive.google.com/file/d/0B8_U5aaAFBjwWDd5aWRaNmE5XzA/…
Limitación de la interferencia actual en el circuito del amplificador fotomultiplicador
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