Mesure d'un faible courant AC couplé a un grand courant DC.

[coolazga]

Bonjour à tous,

J'ai un problème concernant la mesure d'un courant faible (100fA) depuis un photodétecteur.

En effet, d'habitude je mesure le photocourant de mon détecteur grace à une transimpedance. Le photodetecteur est polarisé avec une tension constante de 0.1V, puis la lumière qui illumine le photodétecteur est modulée avec un choppeur mécanique avec une fréquence de 100Hz. Le signal de sortie est envoyé directement sur une Lock-in pour démoduler et mesurer le photocourant.

Toute cette mesure est faite à basse température (78K). Jusqu'à la tout va bien. Sauf qu'il y a un problème lorsque je mesure à température ambiante. En effet, la résistance de mon photodétecteur chute avec avec la température. De Giga-ohm à basse température à quelques kilo-ohme à température ambiante. Ce qui fait qu'a température ambiante j'ai un courant DC (le courant Dark) de quelques dizaine de microvolt avec un photocourant AC de quelques femto-ampère.

Le photocourant est censé être constant avec la température, sauf que lorsque je le mesure sur la lock-in à basse température et à température ambiante le photocourant augmente d'un facteur 4.

Je pense que cela peut-etre du à deux choses:

1-La chute de résistance modifie l'impédance d'entrée de la transimpédance ce qui fait un changement de gain,du coup je mesure pas la même chose. si c'est le cas quelle est la solution?
2-Le courant dark sature la transimpédance, dans ce cas la quelle est la solution aussi ?

Je vous mis un schéma du circuit de mon setup.

Merci d'avance pour votre aide, et n'hésitez pas si vous auriez besoin des questions supplémentaire.

Cordialement,

Coolazga


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[jiherve]

bonjour,
Je pense qu'il faut oublier le transconductance et passer par une charge résistive suivi par un étage d'amplification non inverseur ayant un gain unitaire en DC et quelques centaines en AC ensuite, couplé en AC, un autre étage pour atteindre le 10^6 de gain.
JR

[coolazga]

Bonjour,

Merci pour ta réponse. Effectivement c'est une bonne idée. Dans ce cas là, je devrais utiliser une très faible résistance pour ne pas faire chuter la tension au borne de mon détecteur. Mais est ce possible de choisir un gain AC different de celui en DC? Est ce que le couplage AC ne va pas influencer sur la vraie valeur de ma mesure?

Cordialement,

[jiherve]

Re
non il faudra une résistance importante mais c'est gérable car tu peux choisir la tension de polarisation inverse ,quitte à l'asservir !
Le premier étage est couplé en DC donc sans influence sur la mesure.


JR

[A voir en vidéo sur Futura]

[coolazga]

RE:

Le détecteur à température ambiante fait 3 Kohm de résistance, si je mets une résistance de 1Mohm en série avec le détecteur, la tension va chuter. Est ce que tu veux dire qu'il faudrait auguementer la tension total pour avoir les 100mV sur mon détecteur? ESt ce bien ça ce que tu voulais dire?

Sinon peux-tu mettre en compte la polarisation et la résistance du détecteur sur ton schéma pour bien comprendre ?
Merci d'avance.

[bobflux]

> Le courant dark sature la transimpédance, dans ce cas la quelle est la solution aussi ?

Il faudrait déjà savoir si c'est le cas ou pas ! C'est assez simple de le déterminer, il suffit de regarder la sortie de l'AOP à l'oscillo, et de comparer la tension max à la tension de saturation mentionnée en "pire cas" dans la datasheet.

Par exemple si ton AOP est alimenté en +/- 15V et qu'il n'est pas rail to rail, il va saturer vers les +/-13V (à la louche) donc avec une résistance de gain de 1MOhm tu ne pourras pas gérer plus de 13µA. Cela correspond pour 0.1V à une résistance interne du capteur de 7.7 kOhms. Si tu dis qu'à température ambiente cette résistance devient "quelques kOhm" et que "quelques" est moins que 7 kOhm, tu as ta réponse.

Tu peux déjà faire un essai avec une résistance de 100kOhm au lieu de 1Mohm. Cela permettra à l'AOP de sortir 10x plus de courant (130µA) avant de saturer. Si les résultats sont bons, tu sauras que ça vient de là.

Tu pourrais par exemple envisager de mettre deux résistances de 100k/1MOhm commutables, quitte à rajouter un autre AOP derrière couplé en AC pour remettre un gain de x10.

D'autre part la fréquence de 100Hz c'est pas terrible, il vaut mieux une fréquence non multiple de la fréquence secteur genre 113Hz...

[Vincent PETIT]

Salut,
Intéressant ce problème ! Enfin... Quoi que de ton côté le terme "emmerdant" serait plus adapté.

Donc à 78 Kevin, ça fonctionne mais à température ambiante il y a apparition d'une composante continue (offset) et une augmentation du courant à mesurer.

Comment sais tu que la résistance du photodétecteur chute en fonction de la température ? C'est la doc qui le dit ? Ou c'est le constat d'une mesure ?

Je dirai que ce problème est simplement lié au "bruit thermique" de ton montage. Avec des grandeurs utiles de l'ordre de la 100ene de fA ce bruit, qui est fonction de la température, n'est peut être plus négligeable.

[jiherve]

Bonsoir
Un montage juste simulé qui maintient 100mv au bornes du capteur.

la partie de gauche est une alimentation flotante
JR

[coolazga]

Bonjour à tous,
Merci pour vos réponses.

@bobflux: Effectivement je ne sature pas l'ampli avec un gain de 10^5, puisque avec 0.1V de polarisation et une résistance de 3kohm j'ai 30µA environ de courant dark , ce qui fait une sortie en tension de 3V alors que mon ampli sature à 10V. Ma question sur ce point là c'était dans un cas ou l'amplificateur sature en DC et qu'il aura pas un moyen de diminuer le gain. En tout cas tu as raison ça ne semble pas que le problème vient de la saturation.

Pour la fréquence je module à 78Hz, j'ai donné une fréquence de 100Hz juste pour l'exemple.


@Vincent: la résistance de mon photodétecteur est mesurée directement avec une source-mètre (kheithly 2450), c'est une résistance différentielle qui change avec la polarisation appliquée et la température.

Mon détecteur est un détecteur à base de puits quantiques, il est censé absorber la lumière à 7µm de longueur d'onde. Cette absorption devrait être indépendante de la température du détecteur.

@Jiherve: Merci pour ce montage, ça devrait certainement donner une solution. Mais je cherchais d'abord une solution avec les moyens existants . en l'occurrence j'utilise un ampli transimpédance de la marque FEMTO, modèle: DLPCA-200 avec un gain variable. SI je trouve pas une solution simple, j'essaierai de faire ton montage.

[bobflux]

> Effectivement je ne sature pas l'ampli avec un gain de 10^5, puisque avec 0.1V de polarisation et une résistance de 3kohm j'ai 30µA environ de courant dark , ce qui fait une sortie en tension de 3V alors que mon ampli sature à 10V.

OK, donc avec une transimpédance de 10^6 ohms il sature, mais pas avec 10^5 ohms

> Ma question sur ce point là c'était dans un cas ou l'amplificateur sature en DC et qu'il aura pas un moyen de diminuer le gain.

Si tu ne peux pas diminuer le gain, une solution serait d'injecter un courant pour compenser le courant de fuite du détecteur. Mais pour cela il faut une source de courant très stable, puisque son bruit sera ajouté à la valeur mesurée... Tu pourrais par exemple utiliser un DC-Servo, qui prend la sortie de ton ampli, l'intègre pour récupérer la composante continue due au courant de fuite, et réinjecte ça à l'entrée pour l'annuler.