Fotodiode voor 12MHz?

Standaard led/fototransistor zijn behoorlijk traag (zie maar de gemiddelde optocoupler, die halen ook geen erg hoge waarden)
Kun je niets met een Toslink receiver beginnen? (goedkoop, en zijn er tot 250Mbps)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Glasvezel diodes/ontvangers werken vaak op een specifiek aantal nM in golflengte. Bij mijn beste weten in het UV spectrum. En dan wordt er binnen dat spectrum weer met verschillen van, ik dacht, 50 nM gewerkt om meerdere transmissies over één glasfiber te realiseren.

Verder geen idee of die scheiding in een soort lens-filter zit of in de constructie van de halfgeleider zelf.

De 'ontvangers' in cd/dvd/blueray branders/spelers laserunits werken voor cd/dvd e.d. vaak ook met verschillende golflengtes. Althans wat ik nog weet van het oude spul is dat in cd-dvd spelers/branders er i.i.g. een 'rood' lasertje in zat voor cd en een UV voor dvd.

Verder ook geen idee hoe 'snel' die ontvangers in die laserunits zijn.

Edit:
De Ir ontvangers voor AB's zijn niet snel genoeg voor 12 Mhz denk ik, die laten het boven de 300 Khz vaak al afweten.

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

Hoe meet je de output van de fotodiode? Spanning of stroom.
Reverse bias kan ook nog wel helpen omdat je daar de capaciteit van de diode kleiner mee maakt.
Verder is het natuurlijk wel handig om een filter voor je diode te zetten die hoofdzakelijk het laserlicht doorlaat.

joopv

Golden Member

Zit je wel in het lineare gebied van de fotodiode te werken? Als je devices in de verzadiging gaan worden ze retetraag.

Dat is dus een kwestie van omgevingslicht EN DC instelling

[Bericht gewijzigd door joopv op 7 september 2022 12:28:46 (22%)

Op 7 september 2022 11:41:49 schreef Arco:
Standaard led/fototransistor zijn behoorlijk traag (zie maar de gemiddelde optocoupler, die halen ook geen erg hoge waarden)
Kun je niets met een Toslink receiver beginnen? (goedkoop, en zijn er tot 250Mbps)

Toslink zat ik ook aan te denken ja. Die heb ik niet effe op de plank liggen.

Het opvallende vind ik dat de rise en fall time van mijn fotodiode 100 nanoseconde is, dus 10MHz. Dan zou ik verwachten dat ik een beter resultaat zou moeten hebben met mijn huidige setup.

Op 7 september 2022 11:51:18 schreef floppy:
Hoe meet je de output van de fotodiode? Spanning of stroom.

Met de scope meet ik de spanning. Ik zal nog eens een weerstand parallel zetten aan de fotodiode en het als een stroommeting testen

Op 7 september 2022 12:27:03 schreef joopv:
Als je devices in de verzadiging gaan worden ze retetraag.

Dit is eentje die ik nog niet wist. Ik ga daar eens naar kijken.

[Bericht gewijzigd door Ledlover op 7 september 2022 12:38:35 (12%)

Ik vermoed dat die laser afstand meet dingetjes ook zo werken. Misschien kan je eens kijken wat voor hardware daar inzit?

Mijn vermoeden is dat deze metertjes de fasehoek meten tussen het gezonden signaal en het ontvangen signaal. Deze fasehoek samen met de modulatie frequentie kan je de afstand bepalen.

LED's gloeien zeker na. Ik kan het ff niet vinden, maar ik heb er wel eens grafieken van gezien.

[Bericht gewijzigd door hardbass op 7 september 2022 12:33:12 (14%)

PE2BAS

Volgens z'n datasheet 100 nS aan 820 nM. Hoeveel nM is je laser?

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

Op 7 september 2022 11:46:01 schreef harry64:
Glasvezel diodes/ontvangers werken vaak op een specifiek aantal nM in golflengte.

Fotodioden (ook die voor glasvezelcommunicatie op 40Gbit) zijn niet kieskeurig qua golflengte, alles wat korter is dan het minimum (kortere golflengte=hoger frequentie=meer energie per foton) werkt. Het onderscheid naar golflengte in telecom wordt met filters gedaan.

En omdat telecom meestal met golflengten in het IR, dus langer dan zichtbaar licht werkt zullen ze ook wel werken met zichtbaar licht.

Wel worden fotodioden voor glasvezel altijd reverse gebiased. De lichtinval zorgt dan voor stroom (1 elektron per foton), en die wordt met een TIA (transimpedance amplifier) gedetecteerd.

De datasheet van de BPW46 zegt dat de capaciteit van het ding ongeveer 15pF is bij 10V reverse. Samen met 10k belasting geeft dat een RC tijd van ordegrootte 150ns, klopt wel met 100ns risetime.

Probeer hem eens met 10V reverse bias, en 1k (of 470E) belasting.

Op 7 september 2022 12:27:03 schreef joopv:
Zit je wel in het lineare gebied van de fotodiode te werken? Als je devices in de verzadiging gaan worden ze retetraag.

De BPW46 is linear volgens de datasheet tot 2mW/cm2. Dat is 20W/m2. Tenzij ledlover hem in de zon houd haal je dat niet zo makkelijk.

Natuurlijk word het wel lastiger je signaal eruit te vissen als je 50uA DC current hebt, en 0.1uA signaal...

[Bericht gewijzigd door blurp op 7 september 2022 12:47:41 (18%)

maartenbakker

Special Member

Ik denk dat hij zelfs bij kortere golflengte nog wel in de buurt zal komen (edit: wat blurp schrijf dus).

Oversturen, dus door omgevingslicht, klinkt alsof het wel eens de grootste factor kan zijn (samen met bias wellicht). IR ontvangers van afstandbedieningen hebben altijd een filter ervoor. Bij heel oude types kon je dat er af halen. Als ik me goed herinner had dat een drastische invloed op het bereik.

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."

Op 7 september 2022 12:40:53 schreef blurp:
[...]

Fotodioden (ook die voor glasvezelcommunicatie op 40Gbit) zijn niet kieskeurig qua golflengte, alles wat korter is dan het minimum (kortere golflengte=hoger frequentie=meer energie per foton) werkt. Het onderscheid naar golflengte in telecom wordt met filters gedaan.

Oké. Maar de BPW46 (en broertje 32) gaat qua gevoeligheid na 950 nM toch wel heel snel omlaag. En op UV doet ie ook (bijna) niets. Dus is het wel handig om te weten welke laser Ledlover gebruikt.

En omdat telecom meestal met golflengten in het IR, dus langer dan zichtbaar licht werkt zullen ze ook wel werken met zichtbaar licht.

De BPW is i.d.d nog redelijk gevoelig vanaf 'groen', stuk minder alweer als voor 'bauw'.

Wel worden fotodioden voor glasvezel altijd reverse gebiased. De lichtinval zorgt dan voor stroom (1 elektron per foton), en die wordt met een TIA (transimpedance amplifier) gedetecteerd.

De datasheet van de BPW46 zegt dat de capaciteit van het ding ongeveer 15pF is bij 10V reverse. Samen met 10k belasting geeft dat een RC tijd van ordegrootte 150ns, klopt wel met 100ns risetime.

Probeer hem eens met 10V reverse bias, en 1k (of 470E) belasting.

Goed idee.

De BPW46 is linear volgens de datasheet tot 2mW/cm2. Dat is 20W/m2. Tenzij ledlover hem in de zon houd haal je dat niet zo makkelijk.

Natuurlijk word het wel lastiger je signaal eruit te vissen als je 50uA DC current hebt, en 0.1uA signaal...

In het zonnetje is i.d.d. géén goed idee.. :P

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

Op 7 september 2022 12:27:22 schreef Ledlover:
Het opvallende vind ik dat de rise en fall time van mijn fotodiode 100 nanoseconde is, dus 10MHz. Dan zou ik verwachten dat ik een beter resultaat zou moeten hebben met mijn huidige setup.

Mmmm.. Zou ik niet al te stellig vanuit gaan. Er staat nergens in de datasheet iets over hoe de BPW zich daar gedraagt. Ik zou dan i.i.g. toch eerst op die 10 Mhz beginnen om dat alvast uit te sluiten. Als dat goed werkt kan je gaan meten wat verhoging naar 12 Mhz doet. Als daar net zo'n steil neerwaarts grafiekje uitkomt als na die 950 nM weet je i.i.g voldoende.

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

Een "risetime" is de steilheid van de flank.

Stel ik heb een inverter (om het fotonen gedoe even buiten de deur te houden).

Stel die heeft een vertraging van 10ns, maar een risetime van 1ns.

In de eerste instantie kan je dan hopen op dat je hem met 500Mhz aan kan sturen (1ns rise, 1ns fall = 2ns -> 500MHz). Dan zitten er dus een stuk of 5 tot 10 "niveauwisselelingen" in mijn inverter verstopt.

Maar wat nu als dat ding intern uit drie inverters bestaat (dat is in de praktijk ook vaak het geval!) en dat er een relatief dikke RC achter de eerste trap staat. Dan heeft ie extern nog steeds die delay van 10ns, maar een snelle risetime (omdat de laatste trap snel is).

Je /zou/ iets op de uitgang kunnen gaan zien als de boel gaat stabiliseren rond het omslag punt van de volgende inverter. Maar wat nu als de N- en P-fet verschillende impedanties hebben. De ene is 1k de andere 2k (ik geloof 0.01 pf om op 10ns delay te komen als de rest vrijwel oneindig snel is)... Dan stabiliseert bij 50% duty de C zich rond de 0.3 VCC terwijl de volgende stap bij 0.5VCC omklapt!

Dat ding hoeft bij frequenties van 1/ <risetime> of 1/2*<risetime> helemaal niets meer te doen. Dat is een andere spec.

het is redelijk gegarandeerd dat ie boven die frequentie niets meer doet, maar hoever d'r onder hij wel wat doet moet je elders in het datasheet opzoeken.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Je moet een pin diode gebruiken. Deze reverse biasen en aansluiten op een snelle transimpedance amplifier.
Ook zal je goede optiek moeten gebruiken om geen fotonen te verliezen.
Het lastige is dat je lage fotosiode capaciteit wil (voor lage ruis) en tegelijk een hoge gevoeligheid. Via het oppervlak van de diode hangen die aan elkaar.

Tidak Ada

Golden Member

Kojazz was me voor ;)
Ik kan me nog herinnenren, dat HP zich daar indertijd mee bezighield.
Vergeet dan gelijk niet om de layout als stripline uit te voeren.

edit:
Hier nog wat leesvoer over dergelijke diodes uit 'HP Otoelctronics Catalog 1977' in de pdf
edit/

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----> TUBE COLLECTORS ASSOCIATION - http://www.tubecollectors.org/

Weer verder gewerkt. Het werkt nu, met de bpw46 fotodiode. Een afgestemde kring voor 12MHz helpt overige signalen (van HF TL VSA's bijvoorbeeld) onderdrukken.

De doorslaggevende factor was de reverse bias. Dit maakte een enorm verschil in de sterkte van de erg hoogfrequente signalen.
Ik merk dat op 12MHz het signaal niet enorm hard is, maar ik vermoed dat het geheel (met versterkertje) gevoelig genoeg is voor de laser experimenten.

Tevens heb ik de fotodiode in een stukje PVC pijp gemonteerd, waar weer wat kopergaas omheen zit. Via een stukje afgeschermde kabel gaat ie naar de voorversterker.

Nu nog ondervinden of de lasermodule die ik besteld heb, die 12MHz weer kan geven. Momenteel doe ik de tests met een blauwe LED.

Als ik alles uitgewerkt heb (alle wirwar van componenten op een stukje print omgetoverd naar een nette printplaat) zal ik laten zien hoe alles in elkaar zit.

Als je een laserdiode snel wilt laten schakelen moet je ervoor zorgen dat hij net niet helemaal uit gaat.

Mocht het sneller moeten; Een oud ontwerp, een open source laser range finder, gebruikt een SFH2701 i.c.m. een MAX3658.

Op 8 september 2022 15:05:40 schreef Ledlover:
Tevens heb ik de fotodiode in een stukje PVC pijp gemonteerd, waar weer wat kopergaas omheen zit. Via een stukje afgeschermde kabel gaat ie naar de voorversterker.

Hardstikke mooi dat je denkt dat het werkt... maar het kan makkelijk nog beter!
Je kan de preamp echt beter zonder kabel op max een paar mm van de fotodiode plaatsen.
Het kabeltje voegt weer vele pF toe.
Je denkt nu dat je een zwak signaal hebt op 12mhz.. maar nee, dit signaal sluit je hoogst waarschijnlijk zowat kort met die kabelcapaciteit. Als de kabelcap plus ingangscap van de preamp samen niet ver boven de fotodiode cap. uit komen, dan ben je pas goed bezig.
Verder heb je het over een afgestemde kring.
Hmm denk ik dan. Wat voor impedantie ziet jouw fotodiode dan?
Dus. Gebruik je al een tia?
De ingang van je preamp moet op de interessante frequentieband zo laagohmig mogelijk zijn (ja! Een tia is een heel ander beest dan een spanningsversterker!). En daarbuiten moet ie zo laag zijn dat de biasing van de diode constant blijft.
Leuk project hoor. Schemaatje?

De meeste versterking komt uit de oscilloscoop, een TIA blijkt niet nodig te zijn. Ik heb daar de benodigde snelle opamps niet voor en met een simpele 1 transistor versterker heb ik een voldoende groot, voldoende ruisvrij signaal op de scope.

Ik ben nog steeds aan het itereren, inmiddels printontwerp 2, transistor type 3, en ik ben nu aan het zien of ik de filtering met een kristal kan doen ipv een LC kring, zonder dat de hele boel zichzelf omtovert in een oscillator :+

Aan de ingangscapaciteit heb ik zeer zeker gedacht, een BF tor doet het een stuk beter dan een BC547. Maar onder de streep houd ik voldoende signaal over als er 15cm microfoonkabel tussen zit, dus ik vind 't geen probleem dat ik niet de laatste millivolts er uit weet te halen.

Op 28 september 2022 09:30:19 schreef Ledlover:
De meeste versterking komt uit de oscilloscoop, een TIA blijkt niet nodig te zijn. Ik heb daar de benodigde snelle opamps niet voor en met een simpele 1 transistor versterker heb ik een voldoende groot, voldoende ruisvrij signaal op de scope.

Ik ben nog steeds aan het itereren, inmiddels printontwerp 2, transistor type 3, en ik ben nu aan het zien of ik de filtering met een kristal kan doen ipv een LC kring, zonder dat de hele boel zichzelf omtovert in een oscillator :+

Aan de ingangscapaciteit heb ik zeer zeker gedacht, een BF tor doet het een stuk beter dan een BC547. Maar onder de streep houd ik voldoende signaal over als er 15cm microfoonkabel tussen zit, dus ik vind 't geen probleem dat ik niet de laatste millivolts er uit weet te halen.

Ah, oke ja normaal worden hier (J)FETs voor gebruikt.
MAAR. Als het nu voor jou werkt, dan werkt het. Zo is het dan ook wel weer.

We zijn er bijna. Ik zou bijna morgen naar m'n werk gaan om de final test te doen...

Het draait hier namelijk om een zo basaal mogelijke manier om de lichtsnelheid te meten. De meest praktische en meest gebruikte manier in een natuurkundig lab is om dit met een nanoseconde-tijdschaal laserpulsgenerator te doen. Met een beamsplitter wordt deze puls naar een 'dichtbij' laser-ontvanger geleid, en via een bepaald pad door de lucht van een aantal meter weer terug bij ontvanger no. 2 opgevangen. Op een storage scope sla je de pulsen op en kijk je naar het tijdsverschil tussen de twee. Meet de afstand die het licht heeft afgelegd in die tijd, en je kan eenvoudig berekenen hoe snel dat ging.

Omdat ik dit op een middelbare school doe, is een scoop die zulke korte pulsen kan meestal niet aanwezig - en als die er wel is, dan is er nog geen nanoseconde pulsgenerator. Het is immers een school, geen universiteitslab.

Wat er wel regelmatig is, is een conventionele tweekanaals scope met een bandbreedte van 20 a 40MHz.
Wat ik heb gedaan, is de laser heel bruut aangesloten op een TTL oscillatorblokje van 12MHz. Deze wordt dus hard aan en uitgeschakeld met 12MHz.
De eenvoudige versterkertjes zijn klein genoeg om op experimenteerprint op te bouwen, als je op school geen mogelijkheid hebt om printplaten te etsen. Al heb ik de printjes wel geetst.

Door vervolgens een beamsplitter te nemen (een stukje van een teleprompter-spiegel, privacyglas of iets dergelijks) en één ontvanger het signaal direct naast de laser te laten opvangen, en de andere ontvanger het signaal via een pad van een aantal meter te laten opvangen, kun je op de oscilloscoop de verschuiving in tijd tussen de bovenkanten van de sinus aflezen.

Ik ben tegen ontzettend veel praktische problemen aangelopen, vandaar dat ik er inmiddels een maand mee bezig ben. Het hele concept is ontzettend simpel, de uitvoering wat minder...

Ik overweeg morgen nog even terug naar m'n werk te gaan (ik werk niet op vrijdag) om te kijken of mijn opstelling zich houdt aan de natuurwetten, en ik de padlengte echt 12,5m moet maken om een faseverschuiving van 180 graden te krijgen :)

Ik heb sowieso al heel mooi de faseverschuiving kunnen zien, maar het duurde tot vanmiddag tot ik de al bestaande faseverschuiving (veroorzaakt o.a. door een afwijkende kabellengte tussen de twee ontvangers, mogelijk ook door de iets afwijkende versterkertjes met torren met sterk verschillende basiscapaciteit) er uit wist te regelen.

Opstelling in standaard laboratoriumklemmen. De fotodiodes zitten ingeklemd in stukjes PVC pijp, waar weer wat kopergaas omheen zit.
Wat koperbuis gebruiken kan natuurlijk ook.
Alles verbonden met afgeschermde draad (en zelfs dán heb ik nog behoorlijk veel last van instraling!)

Prototype fotodiode-versterker in sigarendoosje, met LC kring en BC547

Versie 2 van de fotodiode-versterker, met kristalfilter en BF-something transsistor in een zelf gesoldeerd behuizinkje van kopergaas en stalen staafjes. De metalen sigarenblikjes waren op.

Daar zit een addertje onder het gras: bij een puls is de stijgtijd soms afhankelijk van de amplitude. En vanwege niet-lineariteiten, zoals slewing en detector thresholds, zijn er nog meer oorzaken voor fouten.

Maar je staat niet alleen: ik heb meegewerkt aan de apparatuur voor de meting van de snelheid van zwaartekrachtgolven en in Zwitserland kwam die puls ook sneller dan het licht door de aarde. Schijnbaar. De oorzaak zat ook in die niet-lineariteiten waarvoor iemand op eigen houtje een correctie had doorgevoerd.....

Doe je meting met een repeterend signaal: een sinusgolf. En stem de frequentie af op een geheel aantal perioden. En reken dan de golflengte uit. Die methode is robuuster dan het schatten van het moment van een puls aankomsttijd. Bij een andere amplitude moet er dezelfde uitkomst komen.

Meten met een repeterend signaal (een ongeveer-sinus) is dus wat er nu gebeurt :)

[Bericht gewijzigd door Ledlover op 6 oktober 2022 18:38:55 (15%)

Op 6 oktober 2022 17:12:54 schreef Ledlover:
(veroorzaakt o.a. door een afwijkende kabellengte tussen de twee ontvangers,

Je bent niet de eerste. Weet je nog dat een paar jaar geleden dat een stelletje wetenschappers gemeten hadden dat neutrinos sneller dan het licht van CERN in geneve naar hun lab in noord italie konden reizen? Kabellengte!

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Het werkt!

Wat we hier zien zijn de traces van de twee fotodiode-ontvangers. De onscherpte is te wijten aan de X10-functie van de scope die enige onscherpte lijkt te veroorzaken.

De ene ontvanger is iets anders geconstrueerd dan de ander, waardoor de signalen niet exact dezelfde golfvorm hebben. Het zijn ook geen sinussen, omdat de laser met een blokgolf wordt aan en uitgezet. De ene ontvanger heeft een betere 12MHz selectiviteit dan de ander, wat dit helpt veroorzaken. Maar 'perfect' is de vijand van 'goed genoeg om te werken'.
Zolang je bij het ijken van de opstelling (controleren hoe lang het gereflecteerde pad moet zijn voor het overlappen van de golfvormen, in mijn geval dus grofweg een meter dat o.a. te wijten is aan de afwijkende kabellengte) de keuze maakt om de eerste knik als overlappend referentiepunt te nemen, maakt het daarna niet zoveel uit of de signalen lelijk zijn of niet.

Één zeer belangrijke verbetering die ik nog deed, was het toevoegen van een lens voor de 'lange pad' ontvanger. De laserstraal was op een totale afstand van 15m bijna 1cm groot geworden, het is dan ook een zeer goedkope laser uit een stuk speelgoed. De lens zorgde voor een goede focus op het kleine gevoelige stuk van de fotodiode.

De reflector staat op 7,5m afstand. Totale padlengte dus 15m.
Neem je bij beide signalen het éérste hoge punt of de nuldoorgang als referentie, dan vind je een verschuiving in tijd van 0,048µs. X as stond ingesteld op 0,2µS/div en de x10 stand ingeschakeld.
15m per 0,048µs = 312m per µs = 312.000.000m/s.
De lichtsnelheid zit net onder de 300.000.000m/s, dus de precisie is zeer behoorlijk, de afwijking minder dan 5%.

De schakeling is erg simpel. Bij de ene ontvanger heb ik een LC kring en BC547 gebruikt, bij de andere een kristal ipv de LC kring, en een BF254.

Op dit moment werkt het goed genoeg als demonstratiemodel. Ik heb hier momenteel even genoeg tijd aan besteed.
Voor de toekomst staat op het programma het optimaliseren van de versterkers. Het kristalfilter kan veel beter vermoed ik.
Ook wil ik af van het TTL oscillatorblokje dat de laser aanstuurt. Of een lowpassfilter er achter, en een 'nette' driver er bij zetten.

Maar dit is allemaal toekomstmuziek, en mogelijk gebeurt het helemaal nooit. Een en ander hangt af van of de baas wil dat ik het verder uitwerk of niet :)