Preamplifiers for Infrared Detectors

Der Unterschied liegt im Typ des Infrarotdetektors, für den die jeweilige Ausführung entwickelt wurde. Die Modelle MCT-1000 sind für photoleitende HgCdTe-(MCT-)Detektoren vorgesehen, die zum Betrieb eine externe Vorspannung benötigen. Diese Vorverstärker verfügen über eine interne einstellbare Vorspannungsversorgung und sind auf die höhere Impedanz sowie die Vorspannungsanforderungen von MCT-Detektoren optimiert. Die Modelle InSb-1000 hingegen sind für photovoltaische Indiumantimonid-(InSb-)Detektoren ausgelegt, die ein Signal erzeugen, ohne eine Vorspannung zu benötigen. Die InSb-Vorverstärker arbeiten als rauscharme Transimpedanzverstärker für den Photodiodenstrom und im Betrieb ohne Vorspannung (außer wenn für Sonderfälle optional eine Vorspannung angelegt wird). Kurz gesagt: Wählen Sie einen Vorverstärker der MCT-1000 series, wenn Sie einen MCT-Photoleiter verwenden, oder einen der InSb-1000 series, wenn Sie eine InSb-Photodiode einsetzen – beide sind jeweils passend auf die Betriebsanforderungen des Detektors abgestimmt.

Die HS versions (MCT-1000HS and InSb-1000HS) sind mit einer erweiterten Bandbreite für Anwendungen ausgelegt, bei denen sich IR-Signale schnell ändern oder hohe Frequenzen auftreten. Während die Standard-Vorverstärker Frequenzen bis etwa 150–200 kHz verarbeiten, können die HS-Modelle Signale bis rund 1 MHz verstärken. Die High-Speed-Version ist die richtige Wahl, wenn Ihre Messung schnelle transiente Vorgänge oder hohe Modulationsraten umfasst – zum Beispiel bei der Erfassung gepulster Laser, schneller thermischer Ereignisse oder modulierter Signale, bei denen die Standardbandbreite die Reaktion begrenzen würde. Wenn Ihre Anwendung konstante oder vergleichsweise langsame Signale misst, reichen der reguläre MCT-1000 oder InSb-1000 aus. Für die verzerrungsfreie Erfassung schneller Signale empfiehlt sich jedoch die HS-Variante. Beachten Sie, dass in High-Speed-Konfigurationen die untere Grenzfrequenz bei etwa 500 Hz liegt (AC-gekoppelt), sodass sehr langsame Änderungen oder DC-Signale herausgefiltert werden (siehe die nächste Frage zur DC-Kopplung).

Bei jedem Vorverstärker lässt sich die Signalverstärkung innerhalb eines bestimmten Bereichs an unterschiedliche Detektorsignalstärken anpassen. Bei der MCT-1000-Serie ist die Verstärkung typischerweise von etwa 50× bis 1000× einstellbar (das Detektorsignal kann also um den Faktor 50 bis 1000 verstärkt werden). Die InSb-1000-Serie bietet einen Verstärkungsbereich von etwa 5× bis 100×. Die Einstellung erfolgt in der Regel über ein Mehrgangpotentiometer oder einen Drehregler am Gerät – damit erhöhen oder verringern Sie den Verstärkungsfaktor je nach Bedarf. In der Praxis wählen Sie die Verstärkung so, dass das Ausgangssignal Ihres Detektors klar messbar ist, ohne dass die nachgeschaltete Elektronik in Sättigung gerät. Die HS-Versionen bieten ähnliche Einstellbereiche für die Verstärkung, wobei die effektiv nutzbare Verstärkung in einigen Fällen von den Eigenschaften des Detektors abhängen kann (beispielsweise kann es bei Fotodioden mit sehr großer aktiver Fläche notwendig sein, den unteren Bereich der Verstärkung zu nutzen, um die Stabilität zu erhalten). Kurz gesagt: Sie können die Verstärkung sehr fein einstellen, indem Sie den integrierten Regler am Vorverstärker so anpassen, bis der Ausgangssignalpegel zu Ihrer Anwendung passt.

In der Standardausführung sind diese Vorverstärker AC-gekoppelt. Das bedeutet, dass sich am Eingang ein Kondensator befindet, der echte Gleich­spannungsanteile und sehr niederfrequente Signalanteile herausfiltert. Bei den Standardmodellen liegt die untere Grenzfrequenz bei etwa 1–1,5 Hz (bei MCT-1000 und InSb-1000) und damit nahezu im Gleich­spannungsbereich – langsame Änderungen über mehrere Sekunden können noch übertragen werden, ein vollständig konstantes Gleichsignal wird jedoch nicht verstärkt, da es vom Koppelkondensator blockiert wird. Die High-Speed-Varianten haben mit etwa 500 Hz eine etwas höhere untere Grenzfrequenz, da für eine Bandbreite bis in den MHz-Bereich eine AC-Kopplung im Bereich einiger hundert Hertz erforderlich ist. Wenn Sie Gleichsignale oder extrem langsame Drift verstärken müssen (zum Beispiel, wenn der Vorverstärker auch den konstanten Baseline-Pegel des Detektors übertragen soll), sind DC-gekoppelte Versionen erhältlich (im Modellnamen durch „-DC“ gekennzeichnet, zum Beispiel MCT-1000DC oder InSb-1000DC). Bei diesen Sonderversionen wird der Eingangskondensator entfernt oder überbrückt, sodass eine echte Gleich­spannungsübertragung möglich ist. Kurz zusammengefasst: Die Standardgeräte ab Lager sind AC-gekoppelt (ideal für die meisten Anwendungen, bei denen Signaländerungen im Fokus stehen), bei Bedarf sind jedoch auch DC-gekoppelte Ausführungen verfügbar, wenn Ihre Anwendung die Erfassung absoluter Gleichsignalpegel des Detektors erfordert.

Die Vorverstärker liefern ein Spannungssignal, das das verstärkte Detektorsignal abbildet. Dieser Ausgang wird typischerweise über einen Standardanschluss bereitgestellt (häufig eine BNC-Ausgangsbuchse am Gerät). Die Ausgangsstufe des Vorverstärkers ist dafür ausgelegt, typische Geräteeingänge zu treiben – das heißt, Sie können den Ausgang direkt mit einem Oszilloskop, einem Spektrumanalysator, einer Datenerfassungskarte (DAQ) oder anderer Messelektronik verbinden. Die Ausgangsimpedanz ist niedrig genug, um 50-Ω- oder 1-MΩ-Eingänge problemlos anzusteuern und dabei die volle Bandbreite sowie eine hohe Signaltreue sicherzustellen. Für die Nutzung verbinden Sie einfach den Ausgang des Vorverstärkers per BNC-Kabel mit Ihrem Aufnahme- oder Überwachungsgerät. Das Signal liegt als AC-gekoppelte Spannung an, proportional zum Fotostrom des Detektors (mit der von Ihnen eingestellten Verstärkung). Eine zusätzliche Verstärkung ist in der Regel nicht erforderlich. Achten Sie lediglich darauf, dass der Eingangsbereich Ihrer DAQ oder Ihres Oszilloskops zum Spannungshub des Vorverstärkerausgangs passt (wenn Sie beispielsweise eine hohe Verstärkung eingestellt haben und der Detektor ein starkes Signal erfasst, kann der Ausgang um einige Volt aussteuern). Zusammengefasst erhalten Sie eine direkt nutzbare analoge Spannung, die sich wie jeder andere Sensorausgang anschließen lässt – der Vorverstärker sorgt dafür, dass das Signal stark genug und rauscharm genug ist, um es unmittelbar zu messen.

Ja, der Hersteller bietet über verschiedene Modellvarianten eine gewisse Flexibilität und kann den Vorverstärker häufig an spezifische Anforderungen anpassen. Wie oben erwähnt, sind beispielsweise DC-gekoppelte Versionen (mit unterer Grenzfrequenz von 0 Hz) verfügbar, wenn Gleichsignale übertragen werden sollen. Auch die interne Bandbreite lässt sich teilweise anpassen oder erweitern – die obere Standard-Grenzfrequenz kann auf Anfrage verändert werden (in einigen Fällen bis etwa 5 MHz), wenn Ihre Anwendung eine noch schnellere Reaktion als bei der HS-Version erfordert. Zusätzlich können gegebenenfalls der Verstärkungsbereich oder der Bias-Bereich angepasst werden, oder es kann werksseitig eine feste Verstärkung eingestellt werden, wenn Sie eine spezielle Kalibrierung benötigen. Eine weitere verfügbare Konfiguration ist ein „reverse bias“-Modus für InSb-Detektoren, bei dem der InSb-1000 Vorverstärker so ausgeführt werden kann, dass an die Fotodiode eine kleine Sperrvorspannung angelegt wird. Dadurch verringert sich ihre Kapazität und die Geschwindigkeit steigt (nützlich für bestimmte Hochfrequenzanwendungen). Grundsätzlich empfiehlt es sich, Ihre genauen Anforderungen mit dem Lieferanten zu besprechen – häufig gibt es bereits verschiedene Varianten (erkennbar an Modellzusätzen wie DC, H, HS usw.), und bei Bedarf kann eine kunden­spezifisch angepasste Einheit empfohlen oder bereitgestellt werden. Das Design dieser Vorverstärker ist modular genug, um spezielle Kundenanforderungen innerhalb bestimmter Grenzen umzusetzen.

Die Vorverstärker sind so ausgelegt, dass sie dem Signal des Detektors nur ein Minimum an zusätzlichem Rauschen hinzufügen. Dadurch lassen sich selbst extrem kleine Signale erfassen, die weitgehend nur noch durch das Eigenrauschen des Detektors begrenzt sind. Quantitativ liegt die spektrale Eingangsrauschdichte des MCT-1000 Vorverstärkers in der Größenordnung von 10^-9 Volt pro √Hz (ca. <1,5 nV/√Hz bei 1 kHz) und ist damit äußerst niedrig. In der Praxis bedeutet das, dass der Vorverstärker im Vergleich zum typischen Rauschen eines IR-Detektors – insbesondere im mittleren Infrarotbereich, in dem thermisches Rauschen auftritt – praktisch kein nennenswertes zusätzliches Rauschen einbringt. Beim InSb-1000 Vorverstärker ist das Design häufig „detektorrauschbegrenzt“ – der Verstärker arbeitet so rauscharm, dass die InSb-Fotodiode und nicht die Elektronik die dominierende Rauschquelle ist. Kurz gesagt: Mit diesen Vorverstärkern lassen sich selbst sehr schwache Photostromsignale sicher auflösen. Wie klein das noch detektierbare Signal ist, hängt von den Eigenschaften des Detektors und der Messbandbreite ab, doch die Elektronik ist in den meisten Fällen nicht der begrenzende Faktor. Wenn Ihr Detektor beispielsweise nur wenige Nanoampere Signal oberhalb des Rauschens liefert, kann der Vorverstärker dieses Signal dank hoher Verstärkung und geringer Eigenrauschwerte auf einen Millivolt-Ausgangspegel anheben, der sich auf einem Oszilloskop messen lässt. Insgesamt können Sie sich darauf verlassen, dass diese Verstärker Ihr Signal nicht durch Rauschen überdecken – sie wurden speziell für präzise IR-Messaufgaben entwickelt, damit Sie die Empfindlichkeit Ihres Detektors optimal nutzen können.