Medición de corriente integrada

Quiero medir la cantidad de luz que incide en un fotodiodo en una ventana de tiempo específica (alrededor de 1 ms). En esta ventana obtenemos 10 6 − 10 7 fotones, que se convierten en electrones con una eficiencia de alrededor del 80%.

El método estándar para realizar esta medición es usar un amplificador de transimpedancia para convertir la corriente en un voltaje que luego se muestrea rápidamente a lo largo del período de tiempo y se integra. Sin embargo, hay muchos lugares en los que el ruido puede colarse. Cada una de las mediciones es bastante ruidosa, y esto se integra.

Me preguntaba si había un método más preciso para medir la carga total producida en esta ventana.

Hasta ahora he estado considerando algo como un CCD analógico:

  • Se utiliza un condensador para almacenar la carga.
  • Cuando la ventana de tiempo termina, una señal digital puede aislar el capacitor del fotodiodo
  • Luego se mide la carga en el capacitor, mediante algún método que aún no he pensado.

Si alguien tiene algún consejo, me encantaría escucharlo. Esencialmente, actualmente tengo una medición ruidosa de la corriente a lo largo del tiempo, que me gustaría cambiar por una medición más precisa de la carga total producida.

Editar: como contexto, esta pregunta surgió cuando me di cuenta de que un CCD de un solo píxel en realidad haría este trabajo mucho mejor que un fotodiodo. Pueden tener grandes eficiencias cuánticas y leer ruido en decenas de electrones. Lamentablemente, los CCD de un solo píxel no parecen existir, por lo que puedo decir. (Además, la corriente oscura es un poco problemática, pero siempre puedes enfriarlos).

Un fotodiodo de avalancha (o fotomultiplicador) también podría ser más adecuado, pero estamos tratando de evitar el alto voltaje.

Quizás esta tesis sería útil: Diseño de circuitos de lectura de fotodiodos de alta resolución para un chip de detección de glucosa continua bioimplantable ( repository.tudelft.nl/islandora/object/… )
La integración tiende a reducir el ruido. Es la diferenciación lo que tiende a potenciar el ruido.
La cantidad de fotones que necesita contar es muy baja, por lo que quizás la mejor opción sea un fotomultiplicador : sin embargo, operar tales dispositivos requiere varios cuidados ya que son dispositivos de muy alta velocidad y alto voltaje.
@ThePhoton tiene razón; ya que está integrando esto, el ruido se reducirá, no empeorará.
Parece que quieres llegar tan bajo como 100 Pensilvania de corriente fotogenerada. ¿Qué resolución de eso esperas? ¿Qué piso de ruido es aceptable? ¿Qué precisión necesita (tenga en cuenta que la precisión implica la trazabilidad de los estándares). ¿Qué métodos de calibración para la precisión posee? ¿Qué repetibilidad necesitaría si construyera dos de estos? (¿Qué tan cerca esperaría que fueran sus medidas, dada exactamente la misma situación de medición?) Y definitivamente considere el cambio en las corrientes de polarización para opamps sobre la temperatura. Aterrador, no pocas veces.
@jonk Sí, las corrientes son muy pequeñas. Exageré un poco, ya que la ventana a menudo es de solo 100 us y hay una concentración significativa de la corriente dentro de los primeros 10 de nosotros. La precisión no es motivo de gran preocupación, ya que hacemos mediciones relativas, pero sí lo son la linealidad y la repetibilidad. Idealmente, nuestro objetivo es el límite de ruido de disparo, por lo que una SNR de alrededor de 1000 en la medición final. Deriva de la corriente de polarización: lo comprobaré.
@ThePhoton Quizás eso no estaba claro. Quise decir que el ruido total aumenta cuando agrega (integra) todas las mediciones secuenciales. Sin embargo, la SNR disminuye.
@ Ben34576 ¿Está integrando un decaimiento exponencial, como el que podría generarse con el decaimiento de fluorescencia o fosforescencia?
Los fotomultiplicadores de silicio funcionan hasta 20 V según Wikipedia, probablemente incluso menos en la realidad. ¿Qué es un voltaje lo suficientemente 'bajo'?
@ Ben34576, ¿por qué le preocupa que aumente el ruido total si la SNR aumenta?
@thePhoton Creo que no he sido claro. Sí, la integración da una mejor SNR que cada medición individual. Si tengo 100 puntos de datos de magnitud 10, cada uno con ruido 1, mi SNR total pasa de 10 a 100 al integrar. Sin embargo, si pudiera comprimir esa señal total en un solo punto de magnitud 1000, la SNR podría ser 1000. A eso me refiero con la integración del ruido. Al distribuir la señal en el tiempo, se reduce la SNR total.
@HKOB Lo siento, estaba pensando en tubos fotomultiplicadores. No he visto fotomultiplicadores de silicio antes. Parece que podrían ser adecuados. Sin embargo, tienden a tener una eficiencia de detección bastante baja a 780 nm, donde trabajamos.
@jonk La caída es aproximadamente exponencial, sí.
@ Ben34576 ¿Está buscando el área bajo la curva? O bien, está buscando averiguar cuánto tiempo lleva que se produzca un área específica debajo de la curva y calcular el τ ¿a partir de ese?

Respuestas (1)

El método estándar para realizar esta medición es usar un amplificador de transimpedancia para convertir la corriente en un voltaje que luego se muestrea rápidamente a lo largo del período de tiempo y se integra. Sin embargo, hay muchos lugares donde el ruido se filtra.

Reducir los lugares en los que se filtra el ruido es exactamente la razón por la que querría digitalizar su señal lo antes posible y usar la menor cantidad posible de etapas de procesamiento analógico.

Cada una de las medidas es bastante ruidosa, y esto se integra.

La integración tenderá a reducir el ruido, no a aumentarlo, porque la integración limita inherentemente el ancho de banda.

Es la diferenciación lo que tiende a potenciar el ruido.

Ciertamente puede construir una respuesta integradora en su amplificador de transimpedancia:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Si R1 es muy alto, entonces la respuesta integradora proporcionada por C1 tenderá a dominar la respuesta TIA, y efectivamente tendrá un TIA integrador. De hecho, esta configuración se usa a menudo porque la ruta de retroalimentación capacitiva puede mejorar la estabilidad del amplificador, incluso cuando no se desea una respuesta integradora. La versión integradora esencialmente está compensando en exceso este circuito común.

Si necesita restablecer la salida, necesitará algunos circuitos adicionales para descargar C1 (sin dejar que el amplificador operacional se sature).

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