Working Priciple of Differential Pyroelectric Detectors
Im Gegensatz zu ihren Cousins, den Thermosäulen, sind Pyroelektriken immer noch Single-Ended-Detektoren, was sie anfällig für elektromagnetische Störungen durch nicht-detektorbezogene Störungen macht. Prozessortakte, Leitungsstörungen und andere Quellen elektromagnetischen Rauschens können immer noch in ihren Ausgang eingekoppelt werden, was in der Entwurfsphase neuer Geräte unnötige Probleme verursacht.
LASER COMPONENTS hat nicht nur eine neue und einzigartige pyroelektrische Verbindungsmethode entwickelt, um elektromagnetische Störungen zu eliminieren, sondern unsere neuen, patentierten 1 Detektor-Konfigurationen (Abb. 1 & Abb. 4) verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis um etwa 1,4!
Wenn auf dem pyroelektrischen Kristall Ladungen erzeugt werden, entstehen auf den gegenüberliegenden Seiten positive und negative Ladungen (Abb. 2). Beide Seiten des Kristalls erzeugen entgegengesetzte Signale gleicher Größe, und mit unserem einzigartigen Schema können wir die Signale voneinander subtrahieren (unter Verwendung eines Differenzial- oder Instrumentenverstärkers), wobei das Gleichtaktrauschen von außen eliminiert wird, aber die Leistung effektiv verdoppelt wird!
Obwohl unser Detektorsignal um das Doppelte ansteigt, erhöht sich unser Rauschen nur um den Faktor √2, was zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses von etwa 1,4 führt.
In Abbildung 3 haben wir einen unserer Differenzdetektoren verwendet und Gleichtaktrauschen in Form eines 50-Hz-Signals eingeführt. Wie Sie sehen können, zeigen sowohl Signal 1 als auch Signal 2 das Rauschen, während die mathematisch subtrahierte Ausgabe dies nicht tut. Das Gleichtaktrauschen wurde eliminiert und die Ausgangsleistung deutlich erhöht.
Da auch dieser Detektor auf unserer Current-Mode-Architektur basiert, können unsere Differenzdetektoren direkt in moderne ADCs und Mikrocontroller eingespeist werden, bei denen diese Subtraktion in der Software durchgeführt werden kann; so können Sie Vorverstärkungsstufen aus Ihrem Design herausnehmen und die Entwicklungskosten senken!
BILD
Abb.1: Schaltplan unseres CM-basierten differentiellen Pyroelektor-Detektors.
Abb.2: Demonstration der Auswirkungen auf das Signal, wenn beide Ausgänge subtrahiert werden.
Abb.3: Gleichtaktrauschen wird durch den Differentialdetektor eliminiert.
1 Patent no.: US 10,302,500 B2 (May 28,2019)
SPANNUNGSGESTEUERTER DIFFERENZIALDETEKTOR
Beyond Borders
Der Spannungsmodus-Differenzialdetektor wird mit einem pyroelektrischen DLaTGS-Kristallelement angeboten. Die Signale von der Ober- und Unterseite des Kristalls werden jeweils an das Gate eines rauscharmen JFETs gesendet. Die Ausgänge der Source der JFETs müssen extern mit der Detektormasse verbunden werden, wobei (nominell) 47 kOhm-Widerstände verwendet werden, wie im Schaltplan dargestellt. Die beiden Source-Ausgangssignale sind von entgegengesetzter Polarität, wie dies auch bei den Opamp-Ausgängen des Strommodus-Differenzialdetektors Modell LD2100 der Fall ist. Die beiden Signale können durch Subtraktion kombiniert werden, d. h. Endausgang = Ausgang 1 - Ausgang 2. Da Ausgang 1 und Ausgang 2 nominell den gleichen Wert haben (aber um 180 Grad phasenverschoben sind), ist der Endausgang dann doppelt so groß wie der Ausgang des LD2100.
Das Basismodell für den Spannungsmodus-Differenzialdetektor ist der DD3151D1300, der mit einer Vielzahl von IR-Fenstern für spektroskopische Anwendungen angeboten wird. Das aktive DLaTGS-Element hat einen Durchmesser von 1,3 mm mit absorbierendem Metallschwarz. Für THz-Anwendungen ist der DD3150D1300-p1 der bevorzugte Detektor, der über eine Nichrom-Metallelektrode zur Absorption der einfallenden Strahlung und ein HDPE-Kunststofffenster verfügt, das bei solch langen Wellenlängen transparent ist. Andere für THz-Anwendungen geeignete Fenster sind poliertes, unbeschichtetes Silizium und CVD-Diamantfenster. Die gesamte Palette der verfügbaren IR-Fenster und Filterfenster ist im Datenblatt zur Filter- und Fensterauswahl für pyroelektrische Detektoren aufgeführt und beschrieben.
Abb.4: Schaltplan und Anschlüsse des VM-basierten Differentialdetektors.
Abb.5: Ansicht von unten des Detektors Modell DD3151D1300.
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