LCA-serie stroom-/transimpedantieversterkers met lage ruis

Begin met de maximaal te verwachten detectorstroom en de vereiste signaalbandbreedte. Kies vervolgens voldoende transimpedantie om het ingangsbereik van het registratie-instrument te benutten zonder clipping. Het bereik loopt van 1 × 10^13 V/A aan de laagfrequente kant tot 1 × 10^7 V/A bij 400 kHz, waardoor versterking en meetsnelheid binnen de beschikbare modellen direct tegen elkaar worden afgewogen. De maximale lineaire ingangsstroom varieert van ±1 pA bij de hoogste versterking van de LCA-2-10T tot ±1 µA voor de LCA-400K-10M. Houd marge aan voor donkere stroom van de detector, DC-achtergrond, offset en transiënte pieken. In de praktijk levert het langzaamste model dat de vereiste signaaldynamiek nog doorlaat doorgaans de laagste ingangsruis en de hoogste conversieversterking.

De opgegeven bandbreedte en frequentierespons blijven behouden bij detectorcapaciteiten tot 10 nF voor alle varianten, behalve de LCA-400K-10M, die is gespecificeerd tot 1 nF. Daardoor is minder externe frequentiecompensatie nodig en wordt gain peaking bij capacitieve detectoren helpen voorkomen. Dat maakt kabelcapaciteit echter niet onbelangrijk, omdat spanningsruis van de versterker via de gecombineerde detector- en kabelcapaciteit nog altijd kan worden omgezet in frequentieafhankelijke ingangsruisstromen. Houd de kabel tussen detector en ingang daarom zo kort mogelijk. Bij lengtes van meer dan één meter in een mechanisch stabiele opstelling kan een kabel met lage capaciteit helpen om deze extra ruisbijdrage te beperken.

De LCA-2-10T is niet beperkt tot één vaste transimpedantie, maar biedt selecteerbare versterkingen van 1 × 10^12 en 1 × 10^13 V/A. Daarnaast beschikt dit model over laagdoorlaatinstellingen van 2 Hz, 0,3 Hz en 0,1 Hz, met bijbehorende stijg- en daaltijden van 0,2 s, 1 s en 5 s. De equivalente ingangsruis bedraagt 0,18 fA/√Hz bij 0,2 Hz, terwijl de maximale lineaire ingang ±10 pA is bij 10^12 V/A of ±1 pA bij 10^13 V/A. De uitgang vereist een belasting van minimaal 1 MΩ. Deze variant is daardoor geschikt voor zeer kleine DC-stromen of langzaam veranderende stromen waarbij gevoeligheid belangrijker is dan responssnelheid.

De uitgang levert een signaalbereik van ±10 V met een bronimpedantie van 50 Ω en een maximale lineaire uitgangsstroom van ±10 mA. Standaardvarianten vereisen een ontvangende belasting van meer dan 10 kΩ, terwijl de LCA-2-10T minimaal 1 MΩ vereist. Een 50 Ω-afsluiting zou de uitgangsspanning verlagen en valt buiten de opgegeven bedrijfscondities, dus het ontvangende instrument moet normaal gesproken in de hoogohmige ingangsmodus worden ingesteld. Stel het bereik van de ADC of oscilloscoop zo in dat zowel de signaalpolariteit als de resterende DC-offset worden opgevangen. Een goed afgeschermde uitgangskabel kan bovendien helpen voorkomen dat elektromagnetische interferentie het daaropvolgende acquisitiesysteem binnendringt.

Ingangsbiasstroom, detector-donkere stroom en externe lekstroom moeten allemaal worden meegenomen in de DC-fout- en overbelastingsmarge. Varianten met bandbreedtes tot 200 Hz specificeren een ingangsbiasstroom van typisch 20 fA en maximaal 30 fA, terwijl modellen vanaf 1 kHz een typische waarde van 2 pA specificeren. Het bereik van de instelbare offsetcompensatie varieert per model van ±50 fA tot ±300 nA. Stel dit pas af nadat het systeem thermisch is gestabiliseerd en met de beoogde detector, bekabeling en aardingsconfiguratie aangesloten. Als de achtergrondstroom de maximale lineaire ingangsstroom van het model benadert, kies dan een lagere transimpedantie in plaats van op offsetcompensatie te vertrouwen om de overbelastingsmarge te herstellen.

Fotovoltaïsche werking is geschikt wanneer een lage donkere stroom prioriteit heeft en de vereiste responssnelheid beperkt is. Bij fotogeleidende werking wordt een spervoorspanning op de detector aangebracht, waardoor de detectorcapaciteit kan afnemen. Dat maakt deze modus geschikt wanneer een snellere respons nodig is en extra donkere stroom acceptabel is. In de afgebeelde configuratie met voorgespannen detector wordt dicht bij de detector een extra keramische bypasscondensator van ongeveer 100 nF gebruikt. Ruis van de biasbron, isolatielek en aarding worden steeds belangrijker bij het meten van picoampère- of femtoampèrestromen. Controleer de uiteindelijke keuze daarom altijd aan de hand van de geselecteerde versterkerbandbreedte, detectorcapaciteit en aanvaardbare DC-achtergrondstroom.

Alle varianten werken op een ±15 V DC-voeding die via een driepolige LEMO-connector wordt aangesloten, waarbij pin 1 is toegewezen aan +15 V, pin 2 aan −15 V en pin 3 aan aarde. De typische voedingsstroom ligt, afhankelijk van de variant, tussen ±15 mA en ±45 mA, dus de voeding moet voldoende bedrijfsreserve hebben. Voor de LCA-2-10T geldt specifiek dat de voeding minstens ±50 mA moet kunnen leveren. Het bedrijfstemperatuurbereik loopt van 0 tot +60 °C, terwijl opslag is toegestaan van −40 tot +100 °C. Een schone symmetrische voeding en een doordachte aardingsopzet zijn belangrijk, omdat storingen op de voeding of aardlussen het gemeten laag-niveausignaal kunnen maskeren.

Een ruisarme ingangskabel heeft de voorkeur wanneer de kabel kan bewegen of aan trillingen blootstaat, omdat tribo-elektrische lading die in gewone coaxkabel ontstaat stroompulsen in het picoampère- of nanoampèrebereik kan veroorzaken. Als de ingangsverbinding langer moet zijn dan één meter en de installatie mechanisch ongestoord is, kan een kabel met lage capaciteit capacitief geïnduceerde ruis verminderen. Het traject van bron naar versterker moet nog steeds zo kort mogelijk worden gehouden, omdat de module bedoeld is om dicht bij de detector te worden geplaatst. Een afgeschermde 50 Ω RF-kabel is geschikt voor de uitgangsaansluiting en helpt elektromagnetische instraling te beperken. De kabelimpedantie van 50 Ω betekent niet dat aan de versterkeruitgang een 50 Ω afsluiting moet worden toegevoegd.