Einfache Anwendung

Die Fortschritte der analogen Siliziumtechnologien ermöglichen es, in nahezu allen Applikationen den klassischen JFET (Abb. 1) eines pyroelektrischen Detektors durch eine komplexe Verstärkerschaltung mit OpAmp zu ersetzen. Traditionelle Baureihen erhielten sukzessive Pendants mit den Bezeichnungen LME-341,  LIM-162 oder LIM-054. Signifikant in der neuen Baureihe sind die Verbesserungen im Signalpegel und Offset. Auch die Auswertung des pyroelektrischen Signals wurde verändert.

Grundlagen
Im Spannungsbetrieb (Abb. 2a) lädt der in den Chips aus einkristallinem LiTaO3 erzeugte pyroelektrische Strom die elektrische Kapazität auf. Die entstehende Spannung wird durch einen einfachen Impedanzwandler in Form eines Sourcefolgers (JFET, Gatewiderstand und externer Sourcewiderstand) ausgegeben. Im Strombetrieb (Abb. 2b) wird der generierte pyroelektrische Strom direkt von einem Strom-Spannungs-Wandler  verarbeitet; der frequenzabhängige Umsetzungsfaktor I/U wird durch die komplexen Rückkoppelkomponenten vorgegeben und beträgt typisch 10 .. 200 pA/V.

Während die thermische Zeitkonstante tT (typisch 150 ms) als Maß der thermischen Ankopplung der pyroelektrischen Elemente an deren Umgebung in beiden Betriebsarten gleichermaßen wirksam ist, unterscheidet sich die elektrische Zeitkonstante tE um mehrere Größenordnungen. Im Spannungsbetrieb berechnet sich tE aus der Chipkapazität CP und dem Gatewiderstand RG (typisch 1,5 s). Im Strombetrieb ist als tE nur das RC-Glied der Rückkoppelkomponenten wirksam (typisch 16 ms).

LME-316 mit JFET (thermisch kompensiert), Spannungsbetrieb

LME-335 mit CMOS-OpAmp (thermisch kompensiert), Strombetrieb

JFET versus OpAmp
Bei üblichen Modulationsfrequenzen zwischen 1 Hz und 10 Hz wird der Detektor im Spannungsbetrieb oberhalb beider Zeitkonstanten betrieben (1/f-Verhalten des Signals). Die maximale Empfindlichkeit liegt außerhalb des üblichen Modulationsfrequenzbereiches. Niederfrequente Störungen bis zu einigen Millihertz werden übertragen. Die Einschwingzeiten des Detektorsignals betragen bis zu mehreren 10 Sekunden.
Detektoren im Strombetrieb werden meist zwischen den beiden Zeitkonstanten betrieben. Damit liegt die Signalspannung auf einem Plateau, welches im Bedarfsfall bis zu mehreren 100 Hz ausgedehnt werden kann.

Niederfrequente Störungen liegen vom cut-on eine Größenordnung weiter entfernt und werden damit bezogen auf den Spannungsbetrieb typisch 10-fach stärker unterdrückt. Die Messsignale sind bereits nach wenigen Sekunden stabil.

Durch den virtuellen Kurzschluss des pyroelektrischen Elementes im Strombetrieb führt ein antiparallel geschaltetes Kompensationselement (thermische Kompensation, Abb. 2b) hier zu keinem Signal- und Detektivitätsverlust. Ebenso reduziert, im Gegensatz zum Spannungsbetrieb, ein unvollständig ausgeleuchtetes Element weder Signal noch Detektivität.

Einfluss des Rückkoppelwiderstandes
Wie bei pyroelektrischen Detektoren mit JFET ist die Dimensionierung des integrierten Widerstandes durch daraus resultierende gegenläufige Detektoreigenschaften charakterisiert:

Ein großer Widerstand ergibt ein hohes Signal aber auch eine größere Detektivität, da das Rauschen nur mit der Wurzel des Widerstandes steigt. Dagegen würde eine dem Detektor nachgeschaltete Verstärkerstufe Signal und Rauschen gleichermaßen verstärken.
Ein kleiner Widerstand erhöht die Stabilität des DC-Arbeitspunkts. Bei R < 5 GW ist deshalb vielfach keine thermische Kompensation mehr nötig.

Weitere Informationen zu diesem Thema erhalten Sie über den angegebenen Webcode. Hier finden Sie das Kapitel „Pyroelectric Library“ aus dem neuen InfraTec-Katalog. Neben Basisinformationen zu Detektoren werden die von InfraTec entwickelten Innovationen bei pyroelektrischen Detektoren ausführlich dargestellt. Ebenfalls werden Temperaturverhalten, Charakteristika von JFET und OpAmp erläutert.

Datenblatt:

 Application Library 3.6 M

Hersteller:
InfraTec GmbH

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