Preamplifiers for Infrared Detectors

Het verschil zit in het type infrarooddetector waarvoor elk model is ontworpen. Modellen uit de MCT-1000-reeks zijn bedoeld voor fotogeleidende HgCdTe-(MCT)-detectoren, die een externe biasspanning nodig hebben om te werken. Deze preamps hebben een interne instelbare biasvoeding en zijn geoptimaliseerd voor de hogere impedantie en biasvereisten van MCT-detectoren. Modellen uit de InSb-1000-reeks zijn daarentegen bedoeld voor fotovoltaïsche indiumantimonide-(InSb)-detectoren, die een signaal genereren zonder bias nodig te hebben. De InSb-preamps werken als transimpedantieversterkers met lage ruis voor de fotodiode-stroom en functioneren zonder bias, op 0 V (tenzij optioneel bias wordt toegepast voor speciale toepassingen). Kortom: kies een preamp uit de MCT-1000 series als u een MCT-fotogeleider gebruikt, of uit de InSb-1000 series als u een InSb-fotodiode hebt – elk model sluit correct aan op de bedrijfsvereisten van de detector.

De HS versions (MCT-1000HS and InSb-1000HS) zijn ontworpen met een uitgebreide bandbreedte voor toepassingen met snel variërende of hoogfrequente IR-signalen. Waar de standaard preamplifiers frequenties tot ongeveer 150–200 kHz verwerken, kunnen de HS-modellen signalen tot circa 1 MHz versterken. U kiest de high-speed-versie wanneer uw meting snelle transiënten of hoge modulatiefrequenties omvat, bijvoorbeeld bij detectie van gepulste lasers, snelle thermische gebeurtenissen of gemoduleerde signalen waarbij de standaard bandbreedte de respons zou beperken. Meet u stationaire of relatief langzame signalen, dan volstaat de standaard MCT-1000 of InSb-1000; maar voor het vastleggen van snelle signalen zonder vervorming is de HS-variant aan te raden. Houd er wel rekening mee dat in high-speed-configuraties de onderste afsnijfrequentie rond 500 Hz ligt (AC-gekoppeld), waardoor zeer trage veranderingen of DC-signalen worden uitgefilterd (zie de volgende vraag over DC-koppeling).

Met elke voorversterker kunt u de signaalversterking binnen een bepaald bereik instellen, zodat verschillende detector-signaalsterktes optimaal worden verwerkt. Bij de MCT-1000-serie is de versterking doorgaans instelbaar van circa 50× tot 1000× (dat wil zeggen: het detectorsignaal kan 50 tot 1000 keer worden versterkt). De InSb-1000-serie heeft een versterkingsbereik van ongeveer 5× tot 100×. De instelling gebeurt meestal via een meeromwentelingspotentiometer of draaiknop op het apparaat – daarmee verhoogt of verlaagt u de versterkingsfactor naar wens. In de praktijk stelt u de versterking zo in dat het uitgangssignaal van uw detector duidelijk meetbaar is, maar niet zo hoog dat uw verdere elektronica in verzadiging raakt. De HS-versies bieden vergelijkbare instelbereiken, al kan de effectief bruikbare versterking in sommige gevallen afhangen van de eigenschappen van de detector (zo kunnen fotodiodes met een zeer groot actief oppervlak vereisen dat u het lagere deel van het versterkingsbereik gebruikt om de stabiliteit te behouden). Kortom, u heeft nauwkeurige controle over de versterking: pas simpelweg de ingebouwde regeling op de voorversterker aan totdat het uitgangssignaalniveau geschikt is voor uw toepassing.

De standaardconfiguratie van deze voorversterkers is AC-coupled. Dat betekent dat er aan de ingang een condensator zit die echte DC en zeer laagfrequente componenten uitfiltert. Bij de standaardmodellen ligt de laagfrequente afsnijding rond 1–1,5 Hz (voor MCT-1000 en InSb-1000), wat vrijwel DC is: langzame veranderingen over meerdere seconden kunnen nog worden doorgelaten, maar een volledig constant DC-niveau wordt niet versterkt (dat wordt door de koppelcondensator geblokkeerd). De hogesnelheidsvarianten hebben een iets hogere laagfrequente afsnijding van circa 500 Hz, omdat voor bandbreedtes in het MHz-bereik AC-koppeling op enkele honderden hertz nodig is. Als u DC-signalen of extreem langzame drift wilt versterken (bijvoorbeeld als u wilt dat de voorversterker ook het constante basisniveau van de detector doorgeeft), zijn er DC-coupled versions beschikbaar (aangeduid met “-DC” in de modelnaam, zoals MCT-1000DC of InSb-1000DC). Bij die speciale uitvoeringen wordt de ingangscondensator verwijderd of overbrugd, zodat echte DC-respons mogelijk is. Samengevat: de standaard verkrijgbare units zijn AC-gekoppeld (geschikt voor de meeste toepassingen waarbij veranderingen in het signaal belangrijk zijn), maar er zijn ook DC-gekoppelde opties beschikbaar als uw toepassing detectie van absolute DC-niveaus van de detector vereist.

De voorversterkers leveren een spanningssignaal dat het versterkte detectorsignaal weergeeft. Deze uitgang wordt meestal aangeboden via een standaardconnector, vaak een BNC-uitgang op het apparaat. De uitgangstrap van de voorversterker is ontworpen om gangbare instrumentingangen aan te sturen – met andere woorden: u kunt de uitgang rechtstreeks aansluiten op een oscilloscoop, een spectrumanalysator, een gegevensverwervingskaart (DAQ) of andere meetelektronica. De uitgangsimpedantie is laag genoeg om zonder problemen 50 Ω- of 1 MΩ-ingangen aan te sturen, zodat u profiteert van de volledige bandbreedte en signaalgetrouwheid. In gebruik sluit u eenvoudig een BNC-kabel aan van de uitgang van de voorversterker naar uw opname- of monitoringsapparaat. Het signaal is een AC-gekoppelde spanning die evenredig is met de fotostroom van de detector (met de door u ingestelde versterking). Extra versterking is meestal niet nodig. Let er alleen op dat het ingangsbereik van uw DAQ of oscilloscoop groot genoeg is voor de spanningsuitslag van de voorversterkeruitgang (bijvoorbeeld: als u een hoge versterking hebt ingesteld en de detector een sterk signaal ziet, kan de uitgang enkele volts uitslaan). Kortom, de uitgang is een direct bruikbare analoge spanning die u aansluit zoals elke andere sensoruitgang – de voorversterker zorgt ervoor dat het signaal sterk genoeg en ruisarm genoeg is om direct te meten.

Ja, de fabrikant biedt enige flexibiliteit via verschillende modelvarianten en kan de voorversterker vaak afstemmen op specifieke eisen. Zoals hierboven vermeld, zijn er bijvoorbeeld DC-coupled versions beschikbaar (met een laagfrequente respons vanaf 0 Hz) als u DC-signalen wilt doorgeven. Ook kan de interne bandbreedte soms worden aangepast of uitgebreid – de standaard bovengrens kan op aanvraag worden gewijzigd (in sommige gevallen tot circa 5 MHz) als uw toepassing een nog snellere respons vereist dan de HS-versie biedt. Daarnaast kunnen het versterkingsbereik of het biasbereik mogelijk worden aangepast, of kan in de fabriek een vaste versterking worden ingesteld als u een speciale kalibratie nodig heeft. Een andere beschikbare configuratie is een “reverse bias” mode for InSb detectors, waarbij de InSb-1000 preamp zo kan worden uitgevoerd dat een kleine sperbias op de fotodiode wordt aangelegd om de capaciteit te verlagen en daarmee de snelheid te verhogen (nuttig in bepaalde hoogfrequente toepassingen). Over het algemeen is het verstandig om uw exacte eisen met de leverancier te bespreken – vaak is er een reeks varianten beschikbaar (zoals blijkt uit modelsuffixen als DC, H, HS enz.) en kan men adviseren of indien nodig een klantspecifieke uitvoering leveren. Het ontwerp van deze voorversterkers is modulair genoeg om, binnen bepaalde grenzen, aan speciale klantwensen tegemoet te komen.

De voorversterkers zijn ontworpen om slechts minimale ruis aan het detectorsignaal toe te voegen, zodat u uiterst kleine signalen kunt detecteren die grotendeels worden begrensd door de eigen ruis van de detector. Kwantitatief gezien heeft de MCT-1000 preamp een spectrale ingangsruisdichtheid in de orde van 10^-9 volt per √Hz (ongeveer <1,5 nV/√Hz bij 1 kHz), wat uitzonderlijk laag is. In de praktijk betekent dit dat de preamp zelf verwaarloosbare ruis toevoegt ten opzichte van de typische ruis van een IR-detector, vooral in het midden-infrarood, waar detectoren thermische ruis vertonen. Bij de InSb-1000 preamp is het ontwerp vaak zelfs “detector noise limited”: de versterker is zo stil dat de InSb-fotodiode de dominante ruisbron is, en niet de elektronica. Kortom, met deze preamps kunt u zeer zwakke fotostroomsignalen betrouwbaar onderscheiden. Het kleinste signaal dat u kunt detecteren, hangt af van de eigenschappen van de detector en van de meetbandbreedte, maar in de meeste gevallen vormt de elektronica niet de beperkende factor. Als uw detector bijvoorbeeld slechts enkele nanoampères signaal boven de ruis produceert, kan de preamp dat dankzij de hoge versterking en lage ruis omzetten naar uitgangen op millivoltniveau die u op een oscilloscoop kunt meten. Al met al kunt u erop vertrouwen dat deze versterkers uw signaal niet onder ruis bedelven: ze zijn speciaal ontwikkeld voor nauwkeurige IR-detectietoepassingen, zodat u de gevoeligheid van uw detector optimaal benut.