高感度フォトダイオード

質問

100nW程度の全光量(DC成分)及び，そこから±1nW程度の微小な光量の変化を捉えたいと思っています。検出光シグナルの波形維持のため周波数は1kz程度は欲しいですが，応答性（遅れ）は考慮していません。

例えば1[A/W]の感度のフォトダイオードを利用した場合，1nA程度の電流変化があるかと思いますが，これを検出するための電流電圧変換，増幅回路など駆動回路の設計法で困っています。

これまで，逆バイアスで使用し，２段でオペアンプを用いて100000倍にして使用していたのですが，応答性がいらないなら抵抗だけの電流電圧変換でも良いのではと言われました。精度なども含めてどちらが良いのでしょうか？
またその他に，ノイズも増幅されてしまうことや，DC成分も必要なのに増幅しすぎて時々飽和してしまうこと，できれば今後，オペアンプを単電源(5V)で駆動させたいことなどの問題もあるのですが，みなさんはどのように対策なさっていますか？

また上記のような感度や精度を必要とする受光量検出の場合，より安定して検出を行うにはどのような回路が相応しいのでしょうか。
（参考書や参考サイトでも良いですので何かご存じでしたらご教授下さい。）

回答No.4

inara1 · ベストアンサー

Breakdown voltage が 5V と小さいのでPIN型ではないですね（PIN は30Vくらいの逆バイアス電圧をかけて使います）。PIN型は同じ面積のPN型より Cj が小さいので高速動作が可能ですが、高速動作で重要なのは Cj 自身の大きさです（PIN型でも大面積では Cj が大きくなる）。Cj = 130pF というのは結構大きいですね。この容量だと1kHzのカットオフ周波数を確保するには1MΩ未満の抵抗にする必要があります（その解釈は正しいです）。

＞１段目と２段目を別回路にすれば、１段目で1MΩ未満の抵抗で電流電圧変換、２段目でオペアンプによる増幅というのも有りなのでしょうか
フォトダイオード以外の浮遊容量（配線容量など）が130pFに比べて充分小さいときは１段目を抵抗方式としてもいいです（浮遊容量が大きいときはそれに応じて抵抗値を下げる必要があります）。抵抗値が 1MΩ の場合、100nA の光電流は 0.1V の電圧に変換されるので、２段目にオペアンプ増幅回路（電圧利得10倍）を入れれば最終的に 1V の信号になりますので、そういう構成で大丈夫です。抵抗がもっと小さいと、１段目の電圧が小さくなってしまうので、オペアンプで発生するノイズの影響を考慮しなければなりませんが、0.1Vと大きければ、AC成分が1mV 程度になりますが問題ありません（オペアンプのノイズは1kHz帯域で1μVrms程度です）。

Dark current（暗電流）が 0.5 nA と結構大きいので、光が全く入射していなくても 5mV の信号が出てしまうことに注意してください（1MΩの抵抗と電圧利得10倍の増幅器を使った２段構成の場合）。Dark currentはDC電流なので波形には影響しませんがDC成分を抽出するときにはDC成分の100nAのうち0.5nAは信号ではないということを念頭に置いてください。暗電流は周囲温度が高くなるほど、逆バイアス電圧が大きくなるほど増えますので、実際の測定環境で、入射光がない状態での出力電圧を見て確認するといいと思います。

吸光度測定ですか。私も測定したことありますが（市販の装置で）、入射光を変調するとどういう物性が分かるのですか（蛍光寿命測定ではそのような方法がありますね）。

お礼

ありがとうございます！
やはり...薄々思ってはいたのですが今回の場合は逆バイアスではいけないようですね。
大変参考になりました。抵抗＋オペアンプという2段構成が良さそうです。（1段目はなるべく小型にしたかったのでちょうど良さそうです）確かに暗電流が大きいのでDC成分を取り出す時には気をつけようと思います。

ちなみに吸光度は水溶液中の物質の検出に使おうと思っています。本当に長々とおつきあいいただいてありがとうございました。

回答No.3

inara1

＞抵抗だけで電流電圧変換しようとすると、フォトダイオードの静電容量によって自動的にLPFが構成されてしまう
そうです。小さい光電流で大きな電圧を得ようと抵抗値を大きくすると周波数帯域が狭くなってしまいます。ANo.2さんの言われる「1GΩに0.16pFの浮遊容量があると帯域は確保されません」というのがそれです。カット周波数（周波数上限）は fc (Hz) = 1/{ 2*π*( Cj + Cs )*RL } です。Cj はフォトダイオードの接合容量(F)、Cs はフォトダイオードから抵抗 RL までの配線の浮遊容量（F）、RL は電流-電圧変換抵抗（Ω）です。Cj + Cs = 0.16pF、RL = 1GΩ のとき fc = 995Hz となります。

1kHz なら高速とは言えませんが、それよりはるかに高速の光信号を扱うときは、Cj が小さなPIN型のフォトダイオードを使い、伝送線路とのインピーダンス整合をとるために RL = 50Ω とします（浜松ホトニクスの資料の5ページの図3-4）。その場合、RL が小さいので大きな電圧に変換できません（がその後で増幅すればいい）。

浜松ホトニクスの資料（http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/tech/si_pd_technical_information.pdf）の図2-1（2ページ）にフォトダイオードの等価回路が、図3-1（5ページ）に逆バイアスで使うときの接続例が出ています。図3-1のＣとＲはバイアス回路で、Ｃは信号周波数に対して充分小さいインピーダンスとなるような容量、Ｒは最大光電流のときでもフォトダイオードに充分なバイアス電圧がかかるような抵抗値にします。図3-1(a)のように、オペアンプを使った電流-電圧変換回路にすると、RLの影響を受けなくなる（フォトダイオードのカソード電圧は常に0V）ので、電流-電圧変換利得を大きくしてなおかつ周波数特性も伸ばしたいときは、図3-1(a)の回路にします。

DC成分も必要なのでしたら、100nAを1Vに変換して（RL = 10MΩ）、その信号をオシロスコープの波形取り込み機能を使って保存し、データをデジタルフィルタ等で解析（信号分離）するのが良いのではないでしょうか。アナログフィルタでＤＣとＡＣ（500Hz～1kHz）に分けるのは難しくはありません。部品集めと電子工作が可能なら、500Hz～1kHzのバンドパスフィルタ回路＋増幅回路（5V単一電源）を紹介します。

逆バイアスで使っているのでフォトダイオードはPINタイプだと思いますが、メーカと型番が分かれば教えてください。

補足

ご回答ありがとうございます。自分の知識不足から、色々と調べている間に返信が遅くなってしまいました。申し訳ありません。浜松ホトニクスの資料は素晴らしいですね。現在使っているものは与えられたもので、広く出回っているものではないようなのですが、仕様書には以下のように書いています。逆バイアスで使っていたのは前の回路で、今回は新しいものなのですが、PINかPNかは書いてあるものでしょうか？(基本的なことですみません)

Forward voltage (IF = 10 mA) Vf: 0.6V
Breakdown voltage (IR = 10 µA) Vr: 5V
Responsivity S:1 A/W
Dark current Id:0.5 nA
Shunt resistance Rsh:30MΩ
Noise equivalent power 3.0*10^14 W/√Hz
Specific detectivity 2.9*10^12 cm*√Hz*W^-1
Junction capacitance Cj: 130pF

教えて頂いたように1GΩの抵抗として数式に入れてみると、Cjが130pFと大きいので、1.2Hzがカットオフ周波数となってしまいます。例えば1MΩで増幅するなら1.2kHzをカットオフ周波数にできるという計算になり、抵抗の回路でも満たすことができそうです。この解釈は正しいでしょうか？
１段目と２段目を別回路にすれば、１段目で1MΩ未満の抵抗で電流電圧変換、２段目でオペアンプによる増幅というのも有りなのでしょうか。
オペアンプの場合ノイズだけでなくオフセット分の処理などもしないといけないと思いますが、図2-4(b)あるいは図3-1(a)の形式が最も一般的でしょうか？

何度も基礎的な質問をしてしまい、申し訳ありません。よろしくお願いします。

回答No.2

tance

微少電流を電圧に変換するときはできるだけ大きな抵抗で一気に電圧
変換する方がS/Nが良くなります。帰還抵抗を1GΩにしてI-V変換
回路をFET-OPアンプで組むのが良いと思います。（１段だけです）

もちろん変動しない100nAの部分はI-V変換するまえに差し引いておく
必要があります。10Vの安定な電源から100MΩでOPのサミング点に
流せば良いでしょう。電圧ノイズなどは10倍になってしまいますが、
それがまずいなら、100V電源から１GΩで流すと５倍改善されます。

当然湿度などの影響を受けやすいので実装には注意が必要です。
GΩという値に驚く必要はありません。RSコンポーネンツでも買えます。
（#294-5090)

ただ、帯域を1kHzとるにはそれなりのノウハウが必要です。1GΩに
0.16pFの浮遊容量があると帯域は確保されません。これを実現するには
それなりの技術が必要です。

ノイズを犠牲にすれば1GΩの抵抗ではなく100MΩにして10倍アンプする
ことにより帯域確保は10倍楽になります。

お礼

なるほど、一気に電圧変換する方が良いのですね。1GΩは見たことがありませんでした。一段で済んだ方が楽なのですが、1kHzを保つことを考えると難しそうなのでもう少し考えてみます。ソフトの方が得意なので、ハムノイズはそちらでとってしまおうと思っていました。
ご回答ありがとうございました！

回答No.1

inara1

100nAのDC電流に±1nAの変動が重畳している信号を1V程度の信号に増幅するのは難しくないですが、その後の信号処理はどうすればいいのでしょうか。DC成分は不要なのでしょうか（波形維持と書かれているのでそのように思えますが）。もしDC成分が不要なら以下のどの場合に該当しますか？
　　（1）　DC成分が一定
　　（2）　DC成分も変動する
　　　　　　（2-1） AC成分は単一周波数
　　　　　　（2-2） AC成分は単一周波数ではないが周波数範囲は比較的狭い
　　　　　　（2-3） AC成分の周波数範囲は広範囲（0.1Hz～1kHzなど）
AC成分の周波数範囲の下限はどれくらいでしょうか（上限は1kHz程度とのことですので）。

＞応答性がいらないなら抵抗だけの電流電圧変換でも良い
フォトダイオードの静電容量と負荷抵抗で決まる（１次のLPFの）カットオフ周波数が1kHz以上あればその通りですが、実際にそうなっていますか？

補足

ご丁寧な回答ありがとうございます。
言葉足らずでしたが、吸光度測定なので、DC成分の値も取りたいです。
検出の間、DC成分がゆるやかに変動し、さらにAC成分として、500Hz～1kHz程度の高周波数のパルス信号が検出されます。今回検出したいのはDC絶対値変化、及びパルス信号のカウント値の２つです。

「フォトダイオードの静電容量と負荷抵抗」というのがわからなかったのですが、抵抗だけで電流電圧変換しようとすると、フォトダイオードの静電容量によって自動的にLPFが構成されてしまうという解釈で宜しいでしょうか？その場合、カットオフ周波数はフォトダイオードの仕様によると思われるのですが、その仕様を確認する手段はあるのでしょうか？

再度質問となり申し訳ございませんがよろしくお願いします。