100nW程度の全光量(DC成分)及び,そこから±1nW程度の微小な光量の変化を捉えたいと思っています。検出光シグナルの波形維持のため周波数は1kz程度は欲しいですが,応答性(遅れ)は考慮していません。

例えば1[A/W]の感度のフォトダイオードを利用した場合,1nA程度の電流変化があるかと思いますが,これを検出するための電流電圧変換,増幅回路など駆動回路の設計法で困っています。

これまで,逆バイアスで使用し,2段でオペアンプを用いて100000倍にして使用していたのですが,応答性がいらないなら抵抗だけの電流電圧変換でも良いのではと言われました。精度なども含めてどちらが良いのでしょうか?
またその他に,ノイズも増幅されてしまうことや,DC成分も必要なのに増幅しすぎて時々飽和してしまうこと,できれば今後,オペアンプを単電源(5V)で駆動させたいことなどの問題もあるのですが,みなさんはどのように対策なさっていますか?

また上記のような感度や精度を必要とする受光量検出の場合,より安定して検出を行うにはどのような回路が相応しいのでしょうか。
(参考書や参考サイトでも良いですので何かご存じでしたらご教授下さい。)

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A 回答 (4件)

Breakdown voltage が 5V と小さいのでPIN型ではないですね(PIN は30Vくらいの逆バイアス電圧をかけて使います)。

PIN型は同じ面積のPN型より Cj が小さいので高速動作が可能ですが、高速動作で重要なのは Cj 自身の大きさです(PIN型でも大面積では Cj が大きくなる)。Cj = 130pF というのは結構大きいですね。この容量だと1kHzのカットオフ周波数を確保するには1MΩ未満の抵抗にする必要があります(その解釈は正しいです)。

>1段目と2段目を別回路にすれば、1段目で1MΩ未満の抵抗で電流電圧変換、2段目でオペアンプによる増幅というのも有りなのでしょうか
フォトダイオード以外の浮遊容量(配線容量など)が130pFに比べて充分小さいときは1段目を抵抗方式としてもいいです(浮遊容量が大きいときはそれに応じて抵抗値を下げる必要があります)。抵抗値が 1MΩ の場合、100nA の光電流は 0.1V の電圧に変換されるので、2段目にオペアンプ増幅回路(電圧利得10倍)を入れれば最終的に 1V の信号になりますので、そういう構成で大丈夫です。抵抗がもっと小さいと、1段目の電圧が小さくなってしまうので、オペアンプで発生するノイズの影響を考慮しなければなりませんが、0.1Vと大きければ、AC成分が1mV 程度になりますが問題ありません(オペアンプのノイズは1kHz帯域で1μVrms程度です)。

Dark current(暗電流)が 0.5 nA と結構大きいので、光が全く入射していなくても 5mV の信号が出てしまうことに注意してください(1MΩの抵抗と電圧利得10倍の増幅器を使った2段構成の場合)。Dark currentはDC電流なので波形には影響しませんがDC成分を抽出するときにはDC成分の100nAのうち0.5nAは信号ではないということを念頭に置いてください。暗電流は周囲温度が高くなるほど、逆バイアス電圧が大きくなるほど増えますので、実際の測定環境で、入射光がない状態での出力電圧を見て確認するといいと思います。

吸光度測定ですか。私も測定したことありますが(市販の装置で)、入射光を変調するとどういう物性が分かるのですか(蛍光寿命測定ではそのような方法がありますね)。
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この回答へのお礼

ありがとうございます!
やはり...薄々思ってはいたのですが今回の場合は逆バイアスではいけないようですね。
大変参考になりました。抵抗+オペアンプという2段構成が良さそうです。(1段目はなるべく小型にしたかったのでちょうど良さそうです)確かに暗電流が大きいのでDC成分を取り出す時には気をつけようと思います。

ちなみに吸光度は水溶液中の物質の検出に使おうと思っています。本当に長々とおつきあいいただいてありがとうございました。

お礼日時:2009/05/21 14:12

>抵抗だけで電流電圧変換しようとすると、フォトダイオードの静電容量によって自動的にLPFが構成されてしまう


そうです。小さい光電流で大きな電圧を得ようと抵抗値を大きくすると周波数帯域が狭くなってしまいます。ANo.2さんの言われる「1GΩに0.16pFの浮遊容量があると帯域は確保されません」というのがそれです。カット周波数(周波数上限)は fc (Hz) = 1/{ 2*π*( Cj + Cs )*RL } です。Cj はフォトダイオードの接合容量(F)、Cs はフォトダイオードから抵抗 RL までの配線の浮遊容量(F)、RL は電流-電圧変換抵抗(Ω)です。Cj + Cs = 0.16pF、RL = 1GΩ のとき fc = 995Hz となります。

1kHz なら高速とは言えませんが、それよりはるかに高速の光信号を扱うときは、Cj が小さなPIN型のフォトダイオードを使い、伝送線路とのインピーダンス整合をとるために RL = 50Ω とします(浜松ホトニクスの資料の5ページの図3-4)。その場合、RL が小さいので大きな電圧に変換できません(がその後で増幅すればいい)。

浜松ホトニクスの資料(http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/p …)の図2-1(2ページ)にフォトダイオードの等価回路が、図3-1(5ページ)に逆バイアスで使うときの接続例が出ています。図3-1のCとRはバイアス回路で、Cは信号周波数に対して充分小さいインピーダンスとなるような容量、Rは最大光電流のときでもフォトダイオードに充分なバイアス電圧がかかるような抵抗値にします。図3-1(a)のように、オペアンプを使った電流-電圧変換回路にすると、RLの影響を受けなくなる(フォトダイオードのカソード電圧は常に0V)ので、電流-電圧変換利得を大きくしてなおかつ周波数特性も伸ばしたいときは、図3-1(a)の回路にします。

DC成分も必要なのでしたら、100nAを1Vに変換して(RL = 10MΩ)、その信号をオシロスコープの波形取り込み機能を使って保存し、データをデジタルフィルタ等で解析(信号分離)するのが良いのではないでしょうか。アナログフィルタでDCとAC(500Hz~1kHz)に分けるのは難しくはありません。部品集めと電子工作が可能なら、500Hz~1kHzのバンドパスフィルタ回路+増幅回路(5V単一電源)を紹介します。

逆バイアスで使っているのでフォトダイオードはPINタイプだと思いますが、メーカと型番が分かれば教えてください。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。自分の知識不足から、色々と調べている間に返信が遅くなってしまいました。申し訳ありません。浜松ホトニクスの資料は素晴らしいですね。現在使っているものは与えられたもので、広く出回っているものではないようなのですが、仕様書には以下のように書いています。逆バイアスで使っていたのは前の回路で、今回は新しいものなのですが、PINかPNかは書いてあるものでしょうか?(基本的なことですみません)

Forward voltage (IF = 10 mA) Vf: 0.6V
Breakdown voltage (IR = 10 µA) Vr: 5V
Responsivity S:1 A/W
Dark current Id:0.5 nA
Shunt resistance Rsh:30MΩ
Noise equivalent power 3.0*10^14 W/√Hz
Specific detectivity 2.9*10^12 cm*√Hz*W^-1
Junction capacitance Cj: 130pF

教えて頂いたように1GΩの抵抗として数式に入れてみると、Cjが130pFと大きいので、1.2Hzがカットオフ周波数となってしまいます。例えば1MΩで増幅するなら1.2kHzをカットオフ周波数にできるという計算になり、抵抗の回路でも満たすことができそうです。この解釈は正しいでしょうか?
1段目と2段目を別回路にすれば、1段目で1MΩ未満の抵抗で電流電圧変換、2段目でオペアンプによる増幅というのも有りなのでしょうか。
オペアンプの場合ノイズだけでなくオフセット分の処理などもしないといけないと思いますが、図2-4(b)あるいは図3-1(a)の形式が最も一般的でしょうか?

何度も基礎的な質問をしてしまい、申し訳ありません。よろしくお願いします。

補足日時:2009/05/15 23:22
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微少電流を電圧に変換するときはできるだけ大きな抵抗で一気に電圧


変換する方がS/Nが良くなります。帰還抵抗を1GΩにしてI-V変換
回路をFET-OPアンプで組むのが良いと思います。(1段だけです)

もちろん変動しない100nAの部分はI-V変換するまえに差し引いておく
必要があります。10Vの安定な電源から100MΩでOPのサミング点に
流せば良いでしょう。電圧ノイズなどは10倍になってしまいますが、
それがまずいなら、100V電源から1GΩで流すと5倍改善されます。

当然湿度などの影響を受けやすいので実装には注意が必要です。
GΩという値に驚く必要はありません。RSコンポーネンツでも買えます。
(#294-5090)

ただ、帯域を1kHzとるにはそれなりのノウハウが必要です。1GΩに
0.16pFの浮遊容量があると帯域は確保されません。これを実現するには
それなりの技術が必要です。

ノイズを犠牲にすれば1GΩの抵抗ではなく100MΩにして10倍アンプする
ことにより帯域確保は10倍楽になります。
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この回答へのお礼

なるほど、一気に電圧変換する方が良いのですね。1GΩは見たことがありませんでした。一段で済んだ方が楽なのですが、1kHzを保つことを考えると難しそうなのでもう少し考えてみます。ソフトの方が得意なので、ハムノイズはそちらでとってしまおうと思っていました。
ご回答ありがとうございました!

お礼日時:2009/05/15 23:33

100nAのDC電流に±1nAの変動が重畳している信号を1V程度の信号に増幅するのは難しくないですが、その後の信号処理はどうすればいいのでしょうか。

DC成分は不要なのでしょうか(波形維持と書かれているのでそのように思えますが)。もしDC成分が不要なら以下のどの場合に該当しますか?
  (1) DC成分が一定
  (2) DC成分も変動する
      (2-1) AC成分は単一周波数
      (2-2) AC成分は単一周波数ではないが周波数範囲は比較的狭い
      (2-3) AC成分の周波数範囲は広範囲(0.1Hz~1kHzなど)
AC成分の周波数範囲の下限はどれくらいでしょうか(上限は1kHz程度とのことですので)。

>応答性がいらないなら抵抗だけの電流電圧変換でも良い
フォトダイオードの静電容量と負荷抵抗で決まる(1次のLPFの)カットオフ周波数が1kHz以上あればその通りですが、実際にそうなっていますか?

この回答への補足

ご丁寧な回答ありがとうございます。
言葉足らずでしたが、吸光度測定なので、DC成分の値も取りたいです。
検出の間、DC成分がゆるやかに変動し、さらにAC成分として、500Hz~1kHz程度の高周波数のパルス信号が検出されます。今回検出したいのはDC絶対値変化、及びパルス信号のカウント値の2つです。

「フォトダイオードの静電容量と負荷抵抗」というのがわからなかったのですが、抵抗だけで電流電圧変換しようとすると、フォトダイオードの静電容量によって自動的にLPFが構成されてしまうという解釈で宜しいでしょうか?その場合、カットオフ周波数はフォトダイオードの仕様によると思われるのですが、その仕様を確認する手段はあるのでしょうか?

再度質問となり申し訳ございませんがよろしくお願いします。

補足日時:2009/05/12 20:31
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Qフォトダイオードの使い方

こんにちは。
既に同じような質問をしたのですが、先の質問で本来尋ねたかったことについて記述をできていなかったので、再度投稿させて頂きます。

規格で強度10mWとなっているレーザーダイオードの光強度を確認するために、浜松ホトニクスのS2281-04というフォトダイオードをSMファイバの直近に持って行って、発生した電流を4.7オームの負荷抵抗に流し、その負荷抵抗にかかっている電圧をロックインアンプ(NF回路の5610B)で測定しています。

測定した電圧と抵抗値から、オームの法則よりフォトダイオードからの電流値を計算し、受光感度より光強度を計算したところ、規格の10mWを大きく下回る5.9mWとなりました。

何故、このように測定値が小さくなってしまうのか。
測定の方法等が間違っているのでしょうが、原因がわかりません。

どうか、ご回答をよろしくお願いします。

Aベストアンサー

#1,2様と同じ意見ですが、
別の書き方をします。

フォトダイオード出力を測定するにあたり、「出力短絡電流は入射光量に比例する」および「出力開放電圧は入射光量の対数に比例す」という基本特性を頭に入れておかねばなりません。すなわち、負荷が短絡とも開放ともつかない半端なインピーダンスでは測定困難です。

通常は比例則の成立する出力短絡電流を測ります。この場合、負荷抵抗は充分に低くなければなりません。4.7Ωでは充分に低いとは言えないかもしれません。

従って、入力インピーダンスが充分に低い回路を使います。#2様の云われるI-V変換、即ち電流電圧変換回路を使います。OPアンプと抵抗一本があればできます。反転増幅回路の形式で、入力は抵抗なし、帰還抵抗に高抵抗を使うというやつです。もちろんOPアンプは入力バイアス電流の小さなFET入力タイプを使います。
この出力電圧を測ってください。今の結果とたいして変わらないことになるかも知れませんが、規格ぎりぎりぴったりで動作するデバイスも少ないし、測定系には自分でコントロールし切れていない誤差も多々ありますから(光伝達効率等等)、そんなものなのでしょう。

#1,2様と同じ意見ですが、
別の書き方をします。

フォトダイオード出力を測定するにあたり、「出力短絡電流は入射光量に比例する」および「出力開放電圧は入射光量の対数に比例す」という基本特性を頭に入れておかねばなりません。すなわち、負荷が短絡とも開放ともつかない半端なインピーダンスでは測定困難です。

通常は比例則の成立する出力短絡電流を測ります。この場合、負荷抵抗は充分に低くなければなりません。4.7Ωでは充分に低いとは言えないかもしれません。

従って、入力インピーダンスが充...続きを読む

Qフォトダイオードはどのように使うものなのでしょう? ブレッドボードに取

フォトダイオードはどのように使うものなのでしょう? ブレッドボードに取り付けて使うものなのでしょうか? 素人質問ですいません

Aベストアンサー

A No.3です。

要は、幅1nsecの光を電気信号パルスに変換したい、ということですか?
フォトダイオードにバイアスをかけて、直列抵抗を設けその抵抗の両端の
波形を出力とすることで電気パルスは得られると思います。(A No.2の
方の回答の回路からR2とC2を取り除いた回路)

しかし、そのような細い電気パルスを扱うのが大変です。ちょっとした
リード線によりパルスは消滅してしまいます。(正確には波形が極端に
変形してしまう)CPUでもこのような細いパルスは検知できないのでは
ないでしょうか。

このレベルになると、ECLとかLVDSといった高速の論理素子が必要です。
(CMOSでも速いものはありますが、ピンキリです)

何らかの方法で、パルス幅を広げないと扱うのが大変でしょう。
光パルスのエネルギーが大きいならR1に並列にコンデンサをつないで
これでパルスストレッチャを作ることはできます。

いずれにしても専門知識が必要です。

それと、トリガ信号のようなものを途中に入れるというのがどうも
理解できません。トリガ信号とパルスをどうやって区別するのですか?

A No.3です。

要は、幅1nsecの光を電気信号パルスに変換したい、ということですか?
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波形を出力とすることで電気パルスは得られると思います。(A No.2の
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しかし、そのような細い電気パルスを扱うのが大変です。ちょっとした
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 光については素人で、本など調べたのですが良く分かりませんのでお願いします。
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Aベストアンサー

結構面倒ですよ。
何をしたいのかでやり方は幾つかありますが、
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2)上の波長分布から比感度特性を考慮してルーメン→Wへの換算をする。
 (波長の関数のままで変換して下さい)
3)ルーメンからルックス(単位面積当たり)に変換する。
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回答してくださる方をお待ちしております。

それでは、よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

(1)hパラメータの物理的意味について

トランジスタに限りませんが入出力特性が明らかになるのです 設計に欠かせません 
こう 入力すれば こう 出力する と解ります 入出力特性が計算で求められるのです

(2)hパラメータが一般的にトランジスタの等価回路定数として用いられる理由

hパラメータは主に低周波で良く近似出来る 高周波ではyパラメータが 超高周波ではSパラメータ
他に4端子パラメータがあります 周波数によって使い分けられます 近似の仕方に色々ある訳です

(3)hパラメータの実測値と規格表の値を比較した場合、その誤差はなぜ生じるか

トランジスタ自身にバラツキがあるから 例えば hfe コレクタ電圧電流温度 同一条件でも5倍位は普通です
メーカーカタログに載っているグラフは参考であり 保証ではありません
保証はあくまでも仕様書にあるものだけです 全ての条件で保証出来ませんので条件が付いてます
例えば 温度、電圧、電流etc hfeは温度50度の変化で約50%変化します 覚えやすいですね?
こんな大きなバラツキがあって設計に役立つの?と言いたいかも知れません
でも無かったらもっと大変です 約に立っているのです

メーカーカタログの見方を知る事が大事なのです。

(1)hパラメータの物理的意味について

トランジスタに限りませんが入出力特性が明らかになるのです 設計に欠かせません 
こう 入力すれば こう 出力する と解ります 入出力特性が計算で求められるのです

(2)hパラメータが一般的にトランジスタの等価回路定数として用いられる理由

hパラメータは主に低周波で良く近似出来る 高周波ではyパラメータが 超高周波ではSパラメータ
他に4端子パラメータがあります 周波数によって使い分けられます 近似の仕方に色々ある訳です

(3)hパラメータの...続きを読む

Qフォトダイオードの原理を教えて下さい。

フォトダイオードの原理を教えて下さい。フォトダイオードは光が当たると順方向に抵抗が小さくなると考えていいのでしょうか。

例えばDC12V、40mA程度で動作する小型リレーとフォトダイオードを直列に接続しDC12Vを印加した状態でフォトダイオードに光を当てると、リレーは動作するでしょうか。
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Aベストアンサー

フォトダイオードの原理は下記サイトを参照ください。
>例えばDC12V、40mA程度で動作する小型リレーとフォトダイオードを直列に接続しDC12Vを印加した状態でフォトダイオードに光を当てると、リレーは動作するでしょうか。
動作しません。
光量に反応するのですから、微弱な検出電流が発生するので、この電流を電圧などに変換増幅してリレーなどを駆動しなければ、直接の駆動はできません。
フォトダイオードの特性を発展したもので、太陽電池パネルがありますが、これならば何枚か接続すれば12Vの電圧を発生して小型リレーを駆動できます。

>フォトダイオードの単純な使い方などがあれば教えて下さい。
一番簡単なのは光量の変化を電流計で振らす照度計でしょうね。
CDS素子を使った照度計や露出計が既にありますが、
身近なところでは、TVのリモコンの受光部に使われて釦操作で遠隔操作が可能になっています。

フォトダイオード
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A9%E3%83%88%E3%83%80%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%BC%E3%83%89

フォトダイオードの原理は下記サイトを参照ください。
>例えばDC12V、40mA程度で動作する小型リレーとフォトダイオードを直列に接続しDC12Vを印加した状態でフォトダイオードに光を当てると、リレーは動作するでしょうか。
動作しません。
光量に反応するのですから、微弱な検出電流が発生するので、この電流を電圧などに変換増幅してリレーなどを駆動しなければ、直接の駆動はできません。
フォトダイオードの特性を発展したもので、太陽電池パネルがありますが、これならば何枚か接続すれば12Vの電圧を発生して...続きを読む


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