Technische Optik in der Praxis

7.3.4 Detektorschaltungen
7.3 Detektoren 199
Die Detektorschaltung soll den Fotostrom oder die Fotospannung des optischen
Detektors ohne wesentlichen Rauschzusatz mit guten dynamischen
Eigenschaften verstärken. Die Wahl und Optimierung der Schaltung hängt
maßgeblich vom Detektor und dem Anwendungsfall ab. Hier sollen am Beispiel
der Fotodiode zwei grundsätzliche Schaltungskonzepte beschrieben werden.
Der Low-Impedanz-Verstärker verfügt über einen niederohmigen Eingang
und findet Anwendung, wenn der Detektor als Signalstromquelle arbeiten
soll. Dabei kann die Fotodiode ohne Vorspannung als Element oder mit Vorspannung
als Diode betrieben werden. Abbildung 7.21 zeigt zwei entsprechende
Diodenschaltungen mit Operationsverstärker (OPV) als Transimpedanzverstärker.
Der Fotostrom fließt durch den Rückkopplungswiderstand RF
und ruft die strahlungsproportionale Ausgangsspannung IF · RF hervor. Der
Transimpedanzverstärker besitzt den niedrigen Eingangswiderstand RF/v,
wobei v diehoheVerstärkung des OPV ist (z. B. > 100 dB). Selbst mit einem
Rückkopplungswiderstand von 1 MΩ der 1 µA Fotostrom in 1 V Signalspannung
umsetzt, ergibt sich ein Eingangswiderstand unter 100 Ω, der mit der
Sperrschichtkapazität C der Fotodiode für eine kleine Zeitkonstante sorgt.
Der große RF-Wert führt zu einem geringen Rauschbeitrag des Widerstandes.
Da Fotodioden selbst meist hochohmig sind, muß bei der OPV-Auswahl
auf geringes Stromrauschen geachtet werden (OPV-Eingangsstufen mit Feldeffekttransistoren).
Eine Reihe von Fotodioden wird mit integriertem Transimpedanzverstärker
angeboten. Die Empfindlichkeitsangabe erfolgt dann in
V/W bzw. flächenunabhängig in V/(W·cm 2 ) und bezieht sich auf die Ausgangsspannung
des Verstärkers. Als Beispiel für den Wellenlängenbereich von
400 bis 1100 nm soll der OSI1-300K/10M von Centronics mit 1500 V/W bei
900 nm, 1 mm 2 Fläche, 300 kΩ Transimpedanz und 10 MHz Bandbreite aufgeführt
werden. Das Modell KMPV11-1-J1 von Kolmar Technologies steht
als Beispiel für einen HgCdTe-Detektor mit Transimpedanzvorverstärker bis
zu Wellenlängen oberhalb von 11 µm mitbiszu1mm 2 Fläche, 20 MHz Bandbreite
und einer Empfindlichkeit von 40 000 V/W.
Der High-Impedanz-Verstärker besitzt einen großen Eingangswiderstand.
Er ist größer als der wirksame Innenwiderstand der Fotodiode, so daß die
Abb. 7.21. Detektor mit Transimpedanzverstärker