LCA Serie rauscharme Strom-/Transimpedanzverstärker

Gehen Sie zunächst vom maximal zu erwartenden Detektorstrom und der erforderlichen Signalbandbreite aus. Wählen Sie dann eine ausreichend hohe Transimpedanz, damit sich der Eingangsbereich des Erfassungsgeräts ohne Clipping nutzen lässt. Das Spektrum reicht von 1 × 10^13 V/A im Niederfrequenzbereich bis 1 × 10^7 V/A bei 400 kHz, sodass Verstärkung und Messgeschwindigkeit bei den verfügbaren Modellen in direktem Zusammenhang stehen. Der maximale lineare Eingangsstrom reicht von ±1 pA bei der höchsten Verstärkung des LCA-2-10T bis ±1 µA beim LCA-400K-10M. Berücksichtigen Sie dabei ausreichend Reserve für Dunkelstrom des Detektors, DC-Hintergrund, Offset und transiente Spitzen. In der Praxis liefert meist das langsamste Modell, das die erforderliche Signaldynamik noch überträgt, das niedrigere Eingangsrauschen und die höhere Umsetzungsverstärkung.

Die angegebene Bandbreite und der Frequenzgang bleiben bei einer Detektorkapazität von bis zu 10 nF für alle Varianten erhalten, mit Ausnahme des LCA-400K-10M, der bis 1 nF spezifiziert ist. Das reduziert den Bedarf an externer Frequenzkompensation und hilft, eine Verstärkungsüberhöhung beim Einsatz kapazitiver Detektoren zu vermeiden. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Kabelkapazität vernachlässigt werden kann, denn das Spannungsrauschen des Verstärkers kann über die kombinierte Detektor- und Kabelkapazität weiterhin in frequenzabhängiges Eingangsstromrauschen umgewandelt werden. Halten Sie das Kabel zwischen Detektor und Eingang daher nach Möglichkeit kurz. Bei Leitungslängen von mehr als einem Meter in einer mechanisch stabilen Installation kann ein kapazitätsarmes Kabel helfen, diesen zusätzlichen Rauschanteil zu begrenzen.

Der LCA-2-10T ist nicht auf eine feste Transimpedanz beschränkt, sondern bietet wählbare Verstärkungen von 1 × 10^12 und 1 × 10^13 V/A. Zusätzlich stehen Tiefpasseinstellungen von 2 Hz, 0,3 Hz und 0,1 Hz zur Verfügung, entsprechend Anstiegs- und Abfallzeiten von 0,2 s, 1 s und 5 s. Das äquivalente Eingangsrauschen beträgt 0,18 fA/√Hz bei 0,2 Hz, während der maximale lineare Eingang bei ±10 pA bei 10^12 V/A bzw. ±1 pA bei 10^13 V/A liegt. Am Ausgang ist eine Last von mindestens 1 MΩ erforderlich. Diese Variante eignet sich daher für sehr kleine Gleichströme oder langsam veränderliche Ströme, bei denen Empfindlichkeit wichtiger ist als Reaktionsgeschwindigkeit.

Der Ausgang stellt einen Signalbereich von ±10 V bei einer Quellenimpedanz von 50 Ω und einem maximalen linearen Ausgangsstrom von ±10 mA bereit. Standardvarianten benötigen eine angeschlossene Last von mehr als 10 kΩ, während der LCA-2-10T mindestens 1 MΩ erfordert. Ein 50-Ω-Abschluss würde die Ausgangsspannung verringern und läge außerhalb der angegebenen Betriebsbedingungen. Deshalb sollte das angeschlossene Messgerät in der Regel auf hochohmigen Eingangsbetrieb eingestellt werden. Konfigurieren Sie den ADC- oder Oszilloskopbereich so, dass sowohl die Signalpolarität als auch ein verbleibender DC-Offset erfasst werden können. Ein gut geschirmtes Ausgangskabel kann außerdem dazu beitragen, elektromagnetische Störungen vom nachgeschalteten Erfassungs­system fernzuhalten.

Eingangsruhestrom, Dunkelstrom des Detektors und externe Leckströme müssen vollständig in das DC-Fehler- und Übersteuerungsbudget einbezogen werden. Varianten mit Bandbreiten bis 200 Hz spezifizieren einen typischen Eingangsruhestrom von 20 fA und maximal 30 fA, während Modelle ab 1 kHz typisch 2 pA aufweisen. Der Bereich der einstellbaren Offsetkompensation variiert je nach Modell von ±50 fA bis ±300 nA. Die Justierung sollte nach der thermischen Stabilisierung erfolgen, wobei der vorgesehene Detektor, die Verkabelung und die Erdungsanordnung angeschlossen sein müssen. Nähert sich der Hintergrundstrom dem maximalen linearen Eingangsstrom des Modells, sollte eine niedrigere Transimpedanz gewählt werden, anstatt sich auf die Offsetkompensation zu verlassen, um Übersteuerungsreserve zurückzugewinnen.

Der photovoltaische Betrieb ist sinnvoll, wenn ein niedriger Dunkelstrom Priorität hat und nur eine moderate Ansprechgeschwindigkeit erforderlich ist. Beim photoleitenden Betrieb wird der Detektor mit einer Sperrvorspannung betrieben, was die Detektorkapazität verringern kann. Dadurch eignet sich dieser Modus für Anwendungen, die eine schnellere Reaktion erfordern und bei denen zusätzlicher Dunkelstrom tolerierbar ist. Die dargestellte Anordnung mit vorgespanntem Detektor verwendet einen zusätzlichen keramischen Bypass-Kondensator von etwa 100 nF in Detektornähe. Rauschen der Vorspannungsquelle, Isolationsleckströme und Erdung werden bei Messungen von Picoampere- oder Femtoampere-Strömen zunehmend wichtiger. Die endgültige Wahl sollte daher anhand der gewählten Verstärkerbandbreite, der Detektorkapazität und des zulässigen DC-Hintergrundstroms überprüft werden.

Alle Varianten werden mit einer DC-Versorgung von ±15 V betrieben, die über eine dreipolige LEMO-Buchse angeschlossen wird. Dabei ist Pin 1 +15 V, Pin 2 −15 V und Pin 3 Masse zugeordnet. Je nach Variante liegt der typische Versorgungsstrom zwischen ±15 mA und ±45 mA, daher sollte das Netzteil mit ausreichender Reserve ausgelegt sein. Für den LCA-2-10T ist ausdrücklich eine Versorgung mit mindestens ±50 mA erforderlich. Der Betriebstemperaturbereich reicht von 0 bis +60 °C, die Lagertemperatur von −40 bis +100 °C. Eine saubere symmetrische Versorgung und eine gezielt ausgelegte Erdung sind wichtig, da Störungen auf der Versorgung oder Erdschleifen das gemessene Signal mit niedrigem Pegel überdecken können.

Ein rauscharme Eingangsleitung ist zu bevorzugen, wenn sich das Kabel bewegen kann oder Vibrationen ausgesetzt ist, da triboelektrische Ladungen in herkömmlichen Koaxialkabeln Stromimpulse im Picoampere- oder Nanoampere-Bereich erzeugen können. Wenn die Eingangsleitung länger als ein Meter sein muss und die Installation mechanisch ruhig ist, kann ein kapazitätsarmes Kabel kapazitiv eingekoppeltes Rauschen reduzieren. Die Verbindung zwischen Quelle und Verstärker sollte dennoch so kurz wie möglich gehalten werden, da das Modul für die Platzierung nahe am Detektor ausgelegt ist. Für den Ausgang eignet sich ein geschirmtes 50-Ω-HF-Kabel, das hilft, elektromagnetische Einstreuungen zu begrenzen. Die Kabelimpedanz von 50 Ω bedeutet jedoch nicht, dass am Verstärkerausgang ein 50-Ω-Abschluss verwendet werden sollte.