微小電圧の高速応答測定

質問

パルス幅数十ｎｓｅｃ　１％duty程度のパルス電流注入による半導体レーザ素子の光応答評価を行っております。
測定系として受光センサはElectro-Optics Technology, Inc.のET2030を用い直接オシロスコープにて測定を行っております。オシロは3GHｚ帯まで対応。センサの波長感度に対して測定波長はピーク感度付近での測定です。光出力が大出力時には問題なく評価はできますが、微小光出力時の評価をする際、オシロの最低レンジ10ｍVレンジを下回り評価ができず大変困っております。

受光センサの信号を増幅するため
簡易回路作製したいのですが、どなたかご教示お願いできませんでしょうか？
希望としましては倍率を100倍　1000倍　10000倍程度増幅したく考えております。

大変困っております。

よろしくお願いいたします。

回答No.5

tadys

急いで書いたので、回路は修正した方が良いところが有りました。
R4を取り外し、L3と直列にします。
R4の所はショートする。
R4の値は50Ωですが、50Ωの抵抗は特殊になるので51ΩでOKです。

L2とR2の接続点からGNDへ抵抗(R7)を追加します。
R2とR7の並列抵抗が50Ωになる様に選びます。
U2のゲインはR3／R2となりますが、この値はU1のゲインの2倍に選びます。
R3はオペアンプとクロスオーバー周波数により選びます。
クロスオーバー周波数は高域と低域の境目です。

クロスオーバー周波数をFcとしてω=2π*Fcとします。
Fcは0.1MHz～5MHzぐらいが良いでしょう。
LCの値はC1=C2=1/(50*ω)、L2=L3=50/ω です。

電源につながるCは0.1uF、1uF、10uFぐらいを並列接続します。
0.1uF、1uFはU1の近くに置きます。
10uFは多少離れてもOKです。

R1はデータシートに記載が有ります。
L1はエナメル線を1～数ターン巻いたものです。
L1は回路の周波数特性を見て決める必要が有ります。
ネットワークアナライザ、又はパルス波形を見て調整する必要があるでしょう。
調整が難しいのであれば単なる電線にします。

R6はL3のダンピング用なので必ずしも必要では有りません。
回路の応答を見て決める必要が有ります。
10uF以外のCRLはチップタイプの部品を使用します。

使用する基板はガラスエポキシ基板を使います。
片面基板を使用する場合は導電性テープ（銅はく）を張り付けて使用します。
サンハヤトのNo.31（片面）が良いでしょう。
千石電商から購入できます。
http://www.sengoku.co.jp/
オペアンプ部分は別途ユニバーサル基板で作って両面テープで張り付ければ良いでしょう。

両面基板の場合はエッチング又は手加工で作ります。
手加工の場合は、ナイフで傷を付けて不要な銅はくをはぎ取ります。
直線的なパターンしか作れないでしょう。
サンハヤトのNo.31が使用できます。

エッチングの場合は千石電商から必要な機材が購入できます。
基板はサンハヤトのNZ-31K当たりが使用できます。
廃液の処理はちゃんとしてください。

最初はアンプを並列にせずに個々に特性を見たら良いでしょう。

回答No.4

tadys

オシロスコープにアベレージング機能は付いていないのでしょうか。
付いているのであれば、まずはトライする事をお勧めします。

直流を含む超広帯域アンプを作るには低域分を受け持つアンプと高域分を含むアンプを作って並列接続します。
二つのアンプのゲインは当然同じ値にします。
信号は分波器で低域と高域に分けて入力し、出力は同じ分波器で合成して一つにします。
分波器の例としてバイアスティーを上げておきます。
http://www.iti.iwatsu.co.jp/ja/products/pspl/bias.html
参考として回路図を添付しておきます。具体的な素子の値は求めていません。

別の方法としては、パルスの受信の前に信号をクランプする方法が有ります。
この方法を使うにはクランプ用のパルスが必要になります。
クランプパルスは信号の出力が無い時間に発生させます。
GND とコンデンサ通過後の信号をアナログスイッチを用いてクランプパルスの期間ショートします。
ファンクションジェネレータなどでクランプパルスを作っておいて、パルスの送信をこれに同期させれば良いでしょう。

デューティが１％と低いのであれば、直流分は少ないのであまり気にしないでもよいでしょう。
というのは、直流レベルが現れる時刻はハッキリしている（パルスが始まる直前はDCレベル）ので、観測した波形から直流レベルが分かります。
低域を伸ばす為には結合コンデンサの容量を大きくする必要が有りますが、適当なところで妥協する必要は有ります。

いずれにしろ、アンプの周波数特性が分からなければパルス波形を観測しているのかアンプの特性を観測しているのかが分かりません。
レーザー駆動パルスを試作したアンプに入れて入出力の波形をフーリエ変換すれば周波数特性が分かります。
この時、おそらく駆動パルスの信号が大きすぎるのでアッテネータが必要になると思いますが、ちゃんとしたものを使用しないと、アッテネータの特性を測る事になってしまいます。

アンプを自作するのであればGND付きのコプレーナ線路を使用するのが良いでしょう。
コプレーナ線路とは、こんなもの
http://www.ieice-hbkb.org/files/09/09gun_07hen_02.pdf
GND付きの場合は裏面にベタアースが付いています。
インピーダンス50Ωにしますがその際の寸法は以下で計算できます。
http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/
ここからTOOL→コプレーナ線路（ＧＮＤ付き）の特性インピーダンス等の計算 と進んでください。

参考の為に回路(高域部分のみ）の実装方法を添付しておきます。

お礼

tadys様
回路図添付して頂きましてありがとうございました。
さっそく、ご指示いただきました部品発注しました。

コメントいただいておりました、オシロはデジタルオシロを使用しております。
御指示通りアベレージ機能試してみましたが、信号をとらえることができませんでした。

送っていただきました、回路図通り作製し波形の様子見てみます。

御親切にわかりやすくご説明いただき大変感謝しております。

ありがとうございました。

補足

tadys様

送っていただきました回路図について御質問させてください。

図中のコイルとコンデンサと抵抗値はいか程に設定するのがよろしいのでしょうか？

実際は波形を見ながら調整が必要なのでしょうが、おおよそどの程度のものを用いたらよろしいでしょうか？

御指示おねがいいたします。

回答No.3

tance

ANo.1です。
tadysさんのおっしゃるとおり、この周波数帯域のパルスアンプを正しく動作させることは
簡単ではありません。市販のアンプでもDCから使える物は少ないです。

まずは、相当困難なことをしようとしているという事を認識してください。

とにかく小さく作ることを第一に考えてください。小さいということは浮遊容量も小さいし
計算外のインダクタンスも小さいことを意味します。「小さい」という意味は1mmは小さい
と言えるが、5mmは大きいと見る、という感覚です。

抵抗やコンデンサは表面実装の1608（日本の標記）というサイズのものを使います。
インチ系で0603と言うこともあるのでご注意ください。

AD8009JRTというオペアンプもせっかく小さいので、この大きさを活かして組んで
ください。回路図を添付します。

このアンプ出力からオシロまでの間は同軸ケーブルを使うので、アンプ出力に
51Ωの抵抗を直列に入れるのが常道ですが、ちょっとでも振幅を大きくしたいなら
直につないでもOKです。（アンプ出力のインピーダンスはミスマッチですがオシロの波形は
歪みません）

あと、GNDは絶対にベタの銅箔がほしいです。理想的には表面は細かいピッチの
パッドが並んでいて、裏はベタGNDというユニバーサル基板があると良いのですが
何か似たようなものを工夫してください。このあたりが成否を握っているかもしれません。

おそらくいろいろな困難が生じると思いますが、また質問してください。

お礼

tance様

回路及び解説わかりやすく御指示いただきましてありがとうございます。

できるだけ小型に作ることが第一とのこと、ありがとうございます。

部品早急に取り寄せ、御指示通りに回路作製してみます。

波形観測し様子を見てみます。

また御質問させていただくことになるかもしれませんが、
よろしくお願いいたします。

御親切にありがとうございました。

回答No.2

tadys

アンプを自作するのはお勧めしません。
パルス幅数十ｎｓｅｃであれば立ち上がりは数ｎｓｅｃになり、帯域はＧＨｚ前後になります。
パルスの波形を観測するには単に広帯域であれば良いのではなく、ゲインがフラットでグループディレイがリニアである必要が有ります。
このようなアンプの試作にはネットワークアナライザが必要です。
また、超高周波回路の実装経験が必要です。
高速なオペアンプを使用して回路を自作するのは経験者でなければ困難です。
要求に合うような市販のアンプが有るかは分かりませんでした。

どうしても自作をしたいのであれば、下記の中から選んで使用するのが良いでしょう。
http://www.minicircuits.com/products/amplifiers_smt_gpw.shtml
例えばこんなのが有ります。
http://www.minicircuits.com/pdfs/MAR-3SM+.pdf
ただし、これらのアンプは入出力のＤＣレベルが異なるので、直流も含めて増幅するには回路の工夫が必要です。
購入はミニサーキットに相談すればいいでしょう。（他にも日本の代理店は有ります）
http://www.mcl-yokohama.co.jp/

ところで、オシロスコープとして最近のデジタルオシロを使用しているのであれば、アベレージング機能を使用して感度を上げる事が出来ます。
この方法は繰り返して発生する信号についてのみ使用できます。
２＾ｎ回の平均でノイズレベルを１／（２×ｎ）に低減する事が出来ます。
オシロのアベレージングだけでは足りないのであれば、データをパソコンに取り込んで平均すればいいです。
この時のオシロのトリガは、受信信号では無くて注入するパルスで取るようにしてください。

お礼

ご親切に説明して頂きまして大変感謝しております。

コメントで書かれておられましたが、実は受光センサーで観測したDC成分とAC成分両方を
増幅する必要があります。

大変厚かましいお願いですが、直流も含めて増幅する回路とは具体的には
どのようにすればよいでしょうか？MAR-3SM+単体では、RF成分のみの増幅となります。

コメントでいただきました、MAR-3SM+を用いた場合どのようにすればよいか、
具体的にご指示いただけないでしょうか？

受光センサを用いた測定に大変困っております。

よろしくお願いいたします。

回答No.1

tance

おそらくオシロの入力インピーダンスを50Ωにして直接光電流を見ているのだと
思いますが、低速信号なら50Ωを500Ωにすれば10倍の感度になります。
しかし、パルス幅が数10nsecだとおそらく立ち上がりは数nsecと思えるので
帯域は100MHz以上はあるでしょう。この程度の速度になるとインピーダンス
マッチングを無視することはできません。つまり負荷抵抗を大きくして感度を
上げることができません。

そこで、登場するのがTIA（Trans Impedance Amp)です。それでも100倍以上
というのは相当大変です。まずは10倍くらいからチャレンジしてみてください。

たとえば、アナログデバイス社のAD8009というOPアンプを使って、電流-電圧
変換回路を組みます。帰還抵抗をたとえば560Ωにして、約11倍が得られます。

注意点は、フォトダイオードとアンプの間にケーブルを用いないことと、帰還抵抗
560Ωに並列に数pFのコンデンサをつないで、波形応答を見ながら容量を加減
することです。
ET2030はBNCコネクタで出力されているようですが、ここに、できるだけ
直接にアンプをつないでください。ここで面倒がってケーブルをつなぐと
アンプの発振や大きなリンギングに悩まされます。100倍などとても無理な
状況になります。

もし100倍にもチャレンジする場合は、TIA１段では難しいかもしれません。
TIAの後に電圧アンプを設けてトータルで100倍にする方が楽だと思います。
ノイズとドリフトに注意が必要です。OPアンプの電源とET2030のバイアス電源
にノイズが乗らないように注意してください。

注意と言っても具体的にどうするか解らない場合はちょっと道のりが遠く
なります。TIAのキーワードで検索して情報を集めてみてください。
出来合いのアンプもあるかもしれません。

お礼

すぐにご助言いただき大変感謝しております。

具体的にデバイスまで指定していただきありがとうございました。

さっそく手に入れアンプ作製してみたいと思います。