Manuel d utilisation Module de photodétection

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Jean-René Brunelle
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1 Manuel d utilisation Module de photodétection Document : MPD-MAN-0057-A Diffusion : Interne Date révision : Avril 2007 Auteur : Gilles Bailly Laboratoire Collisions, Agrégats et Réactivité UMR5589 CNRS-Universite Paul Sabatier 118 Rte de Narbonne Toulouse Cedex 04 Tél : +33 (0) Fax : +33 (0)

Agrégats et Réactivité UMR5589 CNRS-Universite Paul Sabatier 118 Rte de Narbonne 31062

2 Table des matières 1 Introduction Objet Diffusion Acronymes Documents LCAR relatifs à MPD Documents non-lcar relatifs à MPD Informations condensées Vue d ensemble Description du circuit Introduction Amplificateur de transimpédance Photodétecteur Régulateurs Spécifications détaillées 4 5 Connections Connecteurs Mini-DIN Connecteur BNC Liste des tableaux 1 Spécifications Table des figures 1 Le module MPD Plan synoptique du module Mesure de la DSP Mesure de la DSP sans perturbations secteur Introduction 1.1 Objet Ce document est destiné aux utilisateurs du Module de photodétection qui désirent connaitre les spécifications électroniques. NB : Les performances indiquées sont relatives au module prototype de référence MPD-IDT Diffusion Ce manuel s adresse aux membres du laboratoire LCAR. 1

1 Introduction............................. 3 3.2 Amplificateur de transimpédance................. 3 3.3 Photodétecteur........................... 4 3.4 Régulateurs.

3 1.3 Acronymes MPD ATIP Fig. 1: Le module MPD. Module photodétection, Amplificateur de transimpédance pour photodiode. 1.4 Documents LCAR relatifs à MPD ATIP-SCH-0037-A ATIP-PCB-0039-A PHD-NOISE-MEASURE-7 Schémas électroniques ATIP Circuits imprimés ATIP Banc de mesure de bruit 1.5 Documents non-lcar relatifs à MPD Hamamatsu Si photodiode S2386 series 2 Informations condensées 2.1 Vue d ensemble documentation MPD est un module qui intègre un amplicateur de transimpédance faible bruit et une photodiode faible bruit large surface active. NB : MPD fixe seulement le type de connecteurs utilisés ainsi que leurs brochages et les dimensions du boitier. Il est donc possible d intégrer différentes électroniques de détection selon le type d application. Se réferer à la documentation de la carte le cas échéant. La carte montée en standard est ATIP (section 1.4). L interfaçage aux instrument de mesure se fait par un connecteur BNC qui permet d accéder à la sortie de l ATIP. Une autre connecteur mini-din alimente le module et délivre la sortie de l ATIP. Le boitier se présente sous la forme d un cylindre en aluminium noir de dimensions (DxH) = 65x35 mm. Un trou fileté M6 permet d adapter un pied de fixation. Les signaux d entrée sont : les alimentations ±8V ; 2

1 Vue d ensemble documentation MPD est un module qui intègre un amplicateur de transimpédance faible bruit et une photodiode faible bruit large surface active.

4 ATIP board reverse bias voltage selector low noise amplifier low noise, large area photodiode internal, external, none low noise regulators TRANSIMPEDANCE OUTPUT BNC CONNECTOR EXTERNAL BIAS VOLTAGE POWER SUPPLY MINI-DIN CONNECTOR Fig. 2: Plan synoptique du module. la tension de polarisation de la photodiode. Le signal de sortie est : la tension de sortie de l étage transimpédance. 3 Description du circuit NB : MPD fixe seulement le type de connecteurs utilisés ainsi que leurs brochages et les dimensions du boitier. Il est donc possible d intégrer différentes électroniques de détection selon le type d application. Se réferer à la documentation de la carte le cas échéant. La carte montée en standard est ATIP (section 1.4). 3.1 Introduction Les quelques indications sur le fonctionnement du circuit sont données dans le cas de l utilisation de la carte ATIP. Pour plus de détails, se réferer aux schémas électroniques ATIP (section 1.4) qui décrivent précisement l amplificateur de transimpédance faible bruit, la connectique, le circuit de polarisation de la photodiode et les régulations de tensions. 3.2 Amplificateur de transimpédance L amplificateur de transimpédance est conçu pour différentes applications et à ce titre certains composants sont montés ou pas selon les besoins. Deux configurations principales sont possibles : l une met en oeuvre une technique de bootstrap discret associé à un amplicateur large bande pour l utilisation de photodiode à large surface lorsque la bande passante et le bruit sont critiques. L autre configuration tourne autour d un amplificateur faible courant de bruit composite bâti autour de 2 amplis op en cascade. Cette configuration est adaptée, par exemple, lors de l utilisation de photodiode faible surface. Dans tous les cas, la polarisation de la photodiode est possible : locale(0v ou -5V), externe 3

3 Description du circuit NB : MPD fixe seulement le type de connecteurs utilisés ainsi que leurs brochages et les dimensions du boitier.

5 BIAS via le connecteur MINI-DIN(niveau de tension selon les spécifications constructeur). La sortie de mesure OUTPUT est disponible sur le connecteur BNC et sur le connecteur MINI-DIN. 3.3 Photodétecteur Le photodétecteur utilisé provient de la série S2386 du fabricant Hamamatsu. La diode retenue est le modèle S2386-5K qui est montée dans un boitier hermétique TO5. Elle présente une surface active de 2,4mm x 2,4mm. La photo-sensibilité est de 0.47(A/W) à λ = 671nm. Pour les autres spécifications se reporter à la documentation constructeur (section 1.5). 3.4 Régulateurs La carte ATIP est alimentée en ±8V via les entrées du connecteur MINI- DIN 8V-POS, 8V-NEG et AGND. La carte procède en interne à une régulation de tensions ±5V qui alimentent les différents amplis op et le circuit de polarisation. 4 Spécifications détaillées 4

Elle présente une surface active de 2,4mm x 2,4mm. La photo-sensibilité est de 0.47(A/W) à λ = 671nm. Pour les autres spécifications se reporter à la documentation constructeur (section 1.5). 3.

6 Paramètre A Symbole Conditions Min Typ Max Unité DIVERS puissance lumineuse incidente P L 0 10 µw longeur d onde nominale λ nm DYNAMIQUE bande passante 3dB BP 250 khz temps de montée T M 1.4 µs temps de descente T D 1.4 µs déphasage Φ f = 12.5kHz 7 déphasage Φ f = 50kHz 21 déphasage Φ f = 125kHz 54 retard pur F τ 1.2 µs STATIQUE impédance de sortie ZS 100 Ω impédance de charge ZC 2 kω tension de sortie V S ZC 2kΩ V transimpédance ZT 1 MΩ sensibilité E S λ 0 2 µw/v tension décalage V D P L = mv tension de polarisation V P 30 0 V BRUIT tension de bruit EN note C, P L = 5µW 10 mv pp densité spectrale B DSP note D, P L = 10µW 1.2 µv RMS A tests effectués sur carte MPD-IDT-0056 B Dans cette bande, le bruit est principalement celui de la phototodiode. C mesures effectuées avec l oscilloscope TDS3034 dans la bande [5Hz 20MHz],. D mesures effectuées avec le banc de mesure PHD-NOISE-MEASURE-7 dans la bande [100Hz 100kHz]. E Valeur calculée à partir des données de la photodiode S2386-5K. E Valeur calculée à partir des déphasage selon τ = Φ /2.π.f. Tab. 1 Spécifications. 5

2 µs STATIQUE impédance de sortie ZS 100 Ω impédance de charge ZC 2 kω tension de sortie V S ZC 2kΩ 0 4.

7 k 10k 100k 25,0µ 25,0µ Spectral noise density (V/Hz 1/2 ) 20,0µ 15,0µ 10,0µ Spectral noise density measurement reference: Module photodetecteur identifier: MPD-IDT-0056 notes: 1M transimpedance amplifier S2386-5K Hamamatsu Si photodiode =671nm, P=10 W, T=20 C 1M theorical transimpedance amplifier photodiode shot noise 20,0µ 15,0µ 10,0µ 5,0µ 5,0µ 0, k 10k 100k frequency (Hz) 0,0 Fig. 3: Mesure de la densité spectrale de bruit. Dans la bande [200 Hz-100kHz], le bruit de photodétection majore celui de l amplificateur. 5 Connections Le module MPD présente 2 connecteurs. Le connecteur principal au format Mini-DIN achemine les signaux d alimentation vers le module, les signaux de polarisation ainsi que le signal de mesure. Le second connecteur est au format BNC. Il permet de connecter un instrument de mesure a proximité du module. 5.1 Connecteurs Mini-DIN Le connecteur Mini-DIN 7 broches permet d alimenter le module, de polariser la photodiode (optionnel) et d accéder au signal de mesure à la sortie de l amplificateur de transimpédance. n broche étiquette description 1 +8V alimentation positive 2 AGN D masse alimentation 3 8V alimentation négative 4 BIAS tension de polarisation négative 5 OUT P UT signal de mesure 6 AGN D masse signal de mesure 7 réservé 6

15,0µ 10,0µ 5,0µ 5,0µ 0,0 10 100 1k 10k 100k frequency (Hz) 0,0 Fig. 3: Mesure de la densité spectrale de bruit.

8 2,5µ k 10k 100k 2,5µ 2,0µ Spectral noise density measurement reference: Module photodetecteur identifier: MPD-IDT-0056 notes: 1M transimpedance amplifier S2386-5K Hamamatsu Si photodiode =671nm, P=10 W, T=20 C 2,0µ Spectral noise density (V/Hz 1/2 ) 1,5µ 1,0µ 1M theorical transimpedance amplifier photodiode shot noise 1,5µ 1,0µ 500,0n 500,0n 0,0 0, k 10k 100k frequency (Hz) Fig. 4: Mesure de la densité spectrale de bruit. Les points relatifs aux fréquences 50Hz et 100Hz sont masqués. Dans la bande [1 khz-10khz], le bruit de l amplificateur atteint la limite théorique fixée par la résistance de détection. 7

transimpedance amplifier photodiode shot noise 1,5µ 1,0µ 500,0n 500,0n 0,0 0,0 10 100 1k 10k 100k frequency (Hz) Fig. 4: Mesure de la densité spectrale de bruit.

9 5.2 Connecteur BNC Le connecteur BNC permet de connecter un instrument de mesure à proximité du module MPD. n broche étiquette description 1 OUT P UT signal de mesure 2 AGN D masse signal de mesure 8

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