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フォトダイオード用トランスインピーダンスアンプ 


  • Convert Current Output of Photodiodes to Voltage
  • Available with Transimpedance up to 100 MV/A or Bandwidth up to 100 kHz
  • Input Current Noise as Low as 0.06 pA/Hz1/2

AMP100

Switchable Gain: 1, 10, or 100 MV/A
Bandwidth: DC - 1 kHz

AMP130

Gain: 1 kV/A
Bandwidth: DC - 100 kHz

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電圧オフセットアジャスタと極性スイッチは、BNC出力コネクタ側にあります。 

用途

  • 蛍光測定やその他の低光量光源の測定 
  • オシロスコープ、ロックインアンプ、またはA/Dコンバータ用プリアンプ

特長

  • フォトダイオードの出力電流を電圧に変換
  • 高速または高利得用に最適化されたアンプ
  • 利得は固定型と切り替え可能型をご用意
  • コンパクト設計でオシロスコープに直接取り付け可能
  • USB電源DS5とMicro-B USBケーブルが付属 

当社のAMPシリーズのトランスインピーダンスアンプは、マウント無しまたは マウント付きフォトダイオードからの出力信号を増幅するのに使用します。仕様については下表か「仕様」タブをご覧ください。接続したフォトダイオードの暗電流によるオフセットは、アンプの出力側にあるZero Adjustネジを用いて調整できます(右図をご覧ください)。接続したフォトダイオードの極性(AGまたはCG)に応じて、出力信号の符号をスイッチで設定できます。 

これらのトランスインピーダンスアンプはインライン型で、2本のBNCケーブル間に挿入できるように2つのメス型BNCコネクタが付いています。SMAコネクタ付きのフォトダイオードも、ケーブルCA2824を使用すれば直接接続できます。デバイスの電源は、付属の5 V、2 A電源や他のUSBポートからMicro-B USBポートを介して供給します。増幅回路に供給する電源はアンプ内部で安定化されるため、デバイスに対する電源ノイズの影響は遮断されます。

Specifications
Item #AMP130AMP120AMP110AMP102AMP100
Amplifier TypeFixed GainSwitchable Gain
Transimpedance Gain
(DC, Typ.)
1 kV/A100 kV/A10 MV/A1 kV/A,
10 kV/A,
or 100 kV/A
1 MV/A,
10 MV/A,
or 100 MV/A
Bandwidth (3 dB, Cin ≤ 10 nF)aDC to 100 kHzDC to 1 kHzDC to 100 kHzDC to 1 kHz
Rise/Fall Time (10% to 90%)< 3 µs< 3 µs< 300 µs<3.5 µs< 300 µs
Input Current Limitsb±2 mA±20 µA±200 nA±2 mA @ 1 kV/A
±200 µA @ 10 kV/A
±20 µA @ 100 kV/A
±2 µA @ 1 MV/A,
±200 nA @ 10 MV/A,
±20 nA @ 100 MV/A
Input Current Noise (NEP)a18.0 pA/Hz1/20.36 pA/Hz1/20.08 pA/Hz1/20.45 pA/Hz1/2 0.06 pA/Hz1/2
  • 帯域幅ならびに入力電流ノイズは典型値であり、信号源の電気容量に依存します。ベストな帯域幅とノイズ特性を得るには、信号入力用に短いケーブルを使用し、信号源側の電気容量をできるだけ小さくしてください。
  • これらの制限値を超えるとアンプが飽和します。この仕様範囲外で動作させた場合、アンプを損傷する可能性があります。
Common Specifications
Input Impedance100 Ω (Virtual Ground)
Quiescent Current45 mA
Output Voltage Range±1.0 V (50 Ω Load)
±2.0 V (Hi-Z Load)
Output Impedance50 Ω
Included Power SupplyDS5
Power Supply Voltage5 V
Power Supply Current2 A
Included USB CableMicro-B, 1.5 m Long
Dimensions
(L x W x H)
96.7 mm x 31.8 mm x 25.4 mm
(3.81" x 1.25" x 1.00")
Mass (Weight)80 g (2.8 oz)

下のグラフは、入力信号源の電気容量が10 nFまでのときの計算結果を示しています。

AMP120 Spectral Response
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生データはこちらからダウンロード可能です。
AMP110 Spectral Response
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生データはこちらからダウンロード可能です。
AMP102 Spectral Response
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生データはこちらからダウンロード可能です。
AMP100 Spectral Response
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生データはこちらからダウンロード可能です。

入力電流コネクタ

BNCメス型BNC Female

出力電圧コネクタ 

BNCメス型BNC Female

50 Ω終端を推奨

電源コネクタ

Micro-B USBMicro-B USB

フォトダイオードのチュートリアル

動作原理

接合型フォトダイオードは、通常の信号ダイオードと似た動作をする部品ですが、接合半導体の空乏層が光を吸収すると、光電流を生成する性質があります。 フォトダイオードは、高速なリニアデバイスで、高量子効率を達成し、様々な異なる用途で利用することが可能です。

入射光の強度に応じた、出力電流レベルと受光感度を正確に把握することが必要とされます。 図1は、接合型フォトダイオードのモデル図で、基本的な部品が個別に図示されており、フォトダイオードの動作原理が説明されています。

 

Equation 1
Photodiode Circuit Diagram
図1: フォトダイオードの概略図

フォトダイオード関連用語

受光感度
フォトダイオードの受光感度は、規定の波長における、生成光電流 (IPD)と入射光パワー(P)の比であると定義できます:

Equation 2

動作モード(Photoconductive vs. Photovoltaic)
フォトダイオードは、Photoconductiveモード(逆バイアス) またはPhotovoltaicモード(ゼロバイアス)で動作できます。 モードの選択は、使用用途で求められる速度と、許容される暗電流(漏れ電流)の量で決まります。

Photoconductive
Photoconductiveモードでは、逆バイアスが印加されますが、これが当社のDETシリーズディテクタの基本です。 回路で測定できる電流量は、デバイスが曝される光の量に対応し、測定される出力電流は、入射される光パワーに対し直線的に比例します。 逆バイアスを印加すると、空乏層を広げて反応領域が広くなる一方で、接合静電容量が小さくなり、明瞭な線形応答が得られます。 このような動作条件下では、暗電流が大きくなりがちですが、フォトダイオードの種類によって、暗電流を低減することもできます。
(注: 当社のDETディテクタは逆バイアスで、順方向バイアスでは動作できません)

Photovoltaic
Photovoltaicモードでは、フォトダイオードはゼロバイアス状態です。 デバイスからの電流が制限され、電位が蓄積されていきます。 このモードでは光電池効果が引き出されますが、これが太陽電池の基本です。 光電池モードでは、暗電流量は最小限に抑制されます。

暗電流
フォトダイオードにバイアス電圧が付加されている時に流れる漏れ電流のこと。 Photoconductiveモードで使用する場合に暗電流の値は高くなりがちで、温度の影響で変動します。 暗電流は、温度が10°C上昇するたびに約2倍となり、シャント抵抗は6°C の上昇に伴い倍になります。 高いバイアスを付加すれば、接合静電容量は減少しますが、暗電流の量は増大してしまいます。

暗電流の量はフォトダイオードの材料や検出部の寸法によっても左右されます。ゲルマニウム製のデバイスでは暗電流は高くなり、それと比較するとシリコン製のデバイスは一般的には低い暗電流となります。下表では、いくつかのフォトダイオードに使用される材料の暗電流の量と共に、速度、感度とコストを比較しています。

MaterialDark CurrentSpeedSpectral RangeCost
Silicon (Si)LowHigh SpeedVisible to NIRLow
Germanium (Ge)HighLow SpeedNIRLow
Gallium Phosphide (GaP)LowHigh SpeedUV to VisibleModerate
Indium Gallium Arsenide (InGaAs)LowHigh SpeedNIRModerate
Indium Arsenide Antimonide (InAsSb)HighLow SpeedNIR to MIRHigh
Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs)HighHigh SpeedNIRHigh
Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe)HighLow SpeedNIR to MIRHigh

接合静電容量
接合静電容量(Cj)は、フォトダイオードの帯域幅と応答特性に大きな影響を与えるので、フォトダイオードの重要な特性であると言えます。 ダイオード部分が大きいと、接合容量が大きくなり、電荷容量は大きくなります。 逆バイアスの用途では、接合部の空乏層が大きくなるので、接合静電容量が低減し、応答速度が速くなります。

帯域幅と応答性
負荷抵抗とフォトディテクタの接合静電容量により帯域幅が制限されます。 最善の周波数応答を得るには、50Ωの終端装置を50Ωの同軸ケーブルと併用します。 接合静電容量(Cj)と負荷抵抗値(RLOAD)を用いて、帯域幅(fBW)と立ち上がり時間応答(tr)の概算値が得られます:

Equation 3

 

ノイズ等価電力
ノイズ等価電力(NEP)とは、信号対雑音比が1であるときに生成されるRMS信号電圧の値です。NEPによって、ディテクタが低レベルの光を検知する能力を知ることができるので、この数値は便利です。一般には、NEPはディテクタの検出部の面積増加に伴って大きくなり、下記の数式で求めることができます:

Photoconductor NEP

この数式において、S/Nは信号対雑音比、Δf はノイズの帯域幅で、入射エネルギ単位はW/cm2となっています。詳細は、当社のホワイトペーパ「NEP – Noise Equivalent Power」をご参照ください。

終端抵抗
負荷抵抗は、オシロスコープでの測定を可能にするために、生成された光電流を電圧(VOUT)へ変換して用いられます:

Equation 4

フォトダイオードの種類によっては、負荷抵抗が応答速度に影響を与える場合があります。 最大帯域幅を得るには、50Ωの同軸ケーブルを使用して、ケーブルの反対側の終端部で50Ωの終端抵抗器の使用を推奨しています。 このようにすることで、ケーブルの特性インピーダンスとマッチングできて共鳴が最小化できます。 帯域幅が重要ではない特性の場合は、RLOADを増大させることで、所定の光レベルに対して電圧を増大させることができます。 終端部が不整合の場合、同軸ケーブルの長さが応答特性に対して大きな影響を与えます。したがってケーブルはできるだけ短くしておくことが推奨されます。

シャント抵抗
シャント抵抗は、ゼロバイアスフォトダイオード接合の抵抗を表します。 理想的なフォトダイオードでは、シャント抵抗は無限大となりますが、実際の数値はフォトダイオードの材料の種類によって、10Ωのレベルから数千MΩの範囲となる場合があります。 例えばInGaAsディテクタのシャント抵抗は、10MΩのレベルですが、GeディテクタはkΩのレベルです。 このことは、フォトダイオードの電流雑音に大きく影響を与える可能性があります。 しかしながらほとんどの用途では、このような高抵抗値の影響は小さく、無視できる程度です。

直列抵抗
直列抵抗は半導体材料の抵抗値で、この低い抵抗値は、通常は無視できる程度です。 直列抵抗は、フォトダイオードの接触端子とワイヤの接合部で発生し、主にゼロバイアスの条件下でのフォトダイオードの直線性の評価に用いられます。

一般的な動作回路

Reverse Biased DET Circuit
図2: 逆バイアス回路(DETシリーズディテクタ)

上図の回路はDETシリーズのディテクタをモデル化したものです。 ディテクタは、適用される入射光に対して線形の応答を生成するために逆バイアス状態になっています。 ここで生成された光電流の量は、入射光に依存し、負荷抵抗を出力端子に接続すると、波形をオシロスコープで確認することができます。 RCフィルタの機能は、出力に雑音を載せてしまう可能性のある供給電力からの高周波雑音のフィルタリングです。

Amplified Detector Circuit
図3: 増幅ディテクタ回路

高利得用途でアンプとともにフォトディテクタを使用できます。動作時には、PhotovoltaicまたはPhotoconductiveモードのいずれも選択可能です。この能動回路はいくつかの利点があります:

  • Photovoltaicモード:オペアンプで、点Aと点Bの電位が同じに維持されているので、フォトダイオードでは回路全体ではゼロボルトに保たれています。このことで暗電流は発生しなくなります。
  • Photoconductiveモード: フォトダイオードは逆バイアス状態であるので、接合静電容量を低下させながら帯域幅の状態を改善します。 ディテクタの利得は、フィードバック素子(Rf)に依存します。 ディテクタの帯域幅は、下記の数式で計算することができます:

Equation 5

GBPは利得帯域幅積であり、接合静電容量CDは増幅器静電容量と利得静電容量との和です。

チョッパ入力周波数の影響

光導電体は時定数以内では一定の応答となりますが、PbS、 PbSe、HgCdTe (MCT)、InAsSbなどのディテクタにおいては、1/fゆらぎ(チョッパ入力周波数が大きいほどゆらぎは小さくなる)を持つため、低い周波数の入力の場合は影響が大きくなります。

低いチョッパ入力周波数の場合は、ディテクタの受光感度は小さくなります。周波数応答や検出性能は下記の条件の場合において最大となります。

Photoconductor Chopper Equation

Insights:光学実験のベストプラクティス

こちらのページでは実験セットアップ時の下記の注意点についてご覧いただけます。

  • 電気信号:AC結合 vs DC結合

このほかにも実験・実習や機器に関するヒントをまとめて掲載しています。こちらからご覧ください。

 

電気信号:AC結合 vs DC結合

機器にAC結合とDC結合の電気入力の選択肢がある場合、変調信号入力に対して、DC結合の方がよい選択であることが多々あります。

Modulated signal with and without a DC Offset
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図1:信号のDCオフセットは信号の平均値です。青い線(ACのみ)の平均振幅は0なので、DCオフセットはありません。赤い信号(ACとDC)は、赤い信号のACオフセットが0ではないこと以外、青い信号と同一です。DC結合は赤い信号を変化させることなく通過させます。AC結合ではDCオフセットを除去し、信号の低周波成分を減衰させます。

AC結合とDC結合
AC結合とDC結合は、入力信号と、機器のその他の電気回路の間のインターフェイスです。

DC結合は直流結合で、本質的にワイヤが信号の入力部に接続しています。この導電結合は直流成分と交流成分である信号の周波数成分すべてを伝送します。図9の赤い線の直流成分は0ではありません。

AC結合の主な特長はコンデンサを信号入力部に対して直列に配置することです。コンデンサはハイパスフィルタとして機能し、阻止コンデンサと呼ばれることもあります。AC結合ではDCならびに低周波成分が大きく減衰されます。このような静電結合は、入力信号からDCオフセットを除去し、AC成分のみを通過させるために使用されます。図1の青い線にはAC周波数成分しかありません。

可能な場合、DC入力をご使用ください
DC入力が好ましい理由は多くあります。低周波数応答性が良く、信号のDC成分をAC成分とともにモニタでき、また信号の周波数成分に影響を及ぼさないため、信号の歪みを生じさせません。

DCオフセットが大きいか、AC入力によるフィルタリングが必要な場合を除き、DC入力をお勧めいたします。DCオフセットが大きいことの問題の1つは、機器の分解能よりも低いレベルまで下げる場合があることです。極端なケースにおいてはDCオフセットにより光のクリッピングや飽和効果が生じる場合があります。

なお、DC入力であっても、信号の歪みがないことは保証されませんのでご留意ください。歪みはデバイスの帯域幅の不足や、終端でのインピーダンスの不一致などほかの理由で起こる場合があります。

Modulated signal before and after high-pass filtering
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図3: 上のグラフの青い曲線のように変調信号によってはDC成分がなくても、少なくない量の低周波成分は存在します。この信号がAC結合のハイパスフィルタによってフィルタイングされると、結果信号に歪みが生じます。緑の線はその1例です。
High Pass RC Filter Response
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図2:コンデンサがベースのハイパスフィルタの周波数応答性をモデル化しています。カットオフ周波数(Fc)は35 Hzで、図3の信号のフィルタリングに使用されました。信号の繰り返し周波数は 200 Hzです。

AC入力を使用する理由
AC結合は信号のDC成分を阻止することにより、信号の全体の振幅を減少させることができます。これにより、機器の測定分解能を向上することができ、また飽和やクリッピングの問題も克服できます。情報伝送を高周波成分で行う場合、そして低周波成分に関心がない場合、AC結合は良い結果をもたらします。また一部の通信用途などDCの周波数成分が容認されない用途においてはAC結合が好ましい場合があります。

AC入力を使用する場合
AC結合を使用した場合、AC結合がハイパスフィルタとして機能し、信号の周波数成分に影響を及ぼすことを念頭におくことが重要です。

図2で示すように、AC結合はDCオフセットを除去するだけでなく、関心のある低周波成分も減衰させる場合があります。AC結合は結果、信号の歪みにつながる場合があります。ハイパスフィルタの影響を説明するため、図3では繰り返し周波数が200 Hzのバイナリ信号を、カットオフ周波数(Fc)35 Hzのハイパスフィルタでフィルタリングする前と後のグラフを示しています。

AC結合のデジタル通信信号では、DCオフセットのないDCバランスのとれた信号を使用することによりこの問題を軽減しています。信号のDCバランスが取れていない場合、一連の信号は高い信号レベルに張り付いてしまう場合があります。これにより、信号が静電フィルタリングの影響を受け、Non-ZeroのDCレベルが生じることがあり、その結果、ビットエラーをもたらされます。

最終更新日:2019年12月4日


Posted Comments:
user  (posted 2020-05-06 01:04:40.98)
What is the input bias current of the amplifier?
dpossin  (posted 2020-05-08 04:28:52.0)
Dear Customer, Thank you for your feedback. Since the AMP102 is an transimpedance amplifier which produces an highly amplified voltage out of an input current, there is no bias specified. What we do specify instead is the maximum input current. The maximum current with respect to the amplifier settings are the following: min amplification: +/- 2mA, mid amplification: +/- 200µA, max amplification: +/- 20µA. The values can also be found in the datasheet of the AMP102.
drivers  (posted 2019-02-15 13:19:12.61)
In the AMP120 spec sheet there is a transimpedance amplifier shown in the electrical schematic. I assume the feedback resistance for the TIA in this diagram is 100kV? Additionally, how much RMS drift would you expect for the offset at a stable temperature? I ask because offset adjusts are often susceptible to drift.
nreusch  (posted 2019-02-25 02:11:14.0)
This is a response from Nicola at Thorlabs. Thank you for your inquiry. Yes, the resistance is 100 kOhm. The drift is mostly caused by temperature changes. A typical value for the AMP120 is 2.5 µV/°C.
cbrideau  (posted 2018-09-05 13:23:33.243)
So the AG/CG switch flips the polarity of the output? (depending on how the photodiode is biased?)
swick  (posted 2018-09-14 03:38:24.0)
This is a response from Sebastian at Thorlabs. Thank you for the inquiry. AG and CG is referred to the Photodiode (PD) which is either Anode- or Cathode grounded. The polarity of the output (AMP) changes when switching from AG to CG and vise versa. AMP110 (1 kHz) and AMP120 (100 kHz) have low bandwidth so they are actually designed to amplify signals from PDs without bias. Basically it would work to amplify signals from PDs with bias but the AMP would decrease the bandwidth.

トランスインピーダンスアンプ、利得固定型 

Key Specsa
Item #Transimpedance GainBandwidthFrequency
Responseb
Rise/Fall Time
(10% to 90%)
Input Current LimitsOutput
Impedance
Mass
(Weight)
AMP1301 kV/ADC to 100 kHzAMP130 Spectral Response< 3 µs±2 mA50 Ω80 g
(2.8 oz)
AMP120100 kV/ADC to 100 kHzAMP120 Spectral Response< 3 µs±20 µA
AMP11010 MV/ADC to 1 kHzAMP110 Frequency Response< 300 µs±200 nA
  • 仕様の詳細については「仕様」タブをご覧ください。
  • グラフをクリックすると拡大できます。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
AMP130 Support Documentation
AMP130トランスインピーダンスアンプ、利得1 kV/A、帯域幅100 kHz
¥35,858
3-5 Days
AMP120 Support Documentation
AMP120トランスインピーダンスアンプ、利得100 kV/A、帯域幅100 kHz
¥35,858
Today
AMP110 Support Documentation
AMP110トランスインピーダンスアンプ、利得10 MV/A、帯域幅1 kHz
¥35,858
3-5 Days

トランスインピーダンスアンプ、利得切替え可能型

Key Specsa
Item #Transimpedance GainBandwidthFrequency
Responseb
Rise/Fall Time
(10% to 90%)
Input Current LimitsOutput
Impedance
Mass
(Weight)
AMP1021 kV/A,
10 kV/A,
or 100 kV/Ac
DC to 100 kHzAMP102 Frequency Response< 3.5 µs±2 mA @ 1 kV/A
±200 µA @ 10 kV/A
±20 µA @ 100 kV/A
50 Ω80 g
(2.8 oz)
AMP1001 MV/A,
10 MV/A,
or 100 MV/Ac
DC to 1 kHzAMP100 Frequency Response< 300 µs±2 µA @ 1 MV/A
±200 nA @ 10 MV/A
±20 nA @ 100 MV/A
  • 仕様の詳細については「仕様」タブをご覧ください。
  • グラフをクリックすると拡大できます。
  • トランスインピーダンス利得は切り替え可能です。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
AMP102 Support Documentation
AMP102トランスインピーダンスアンプ、利得切り替え型、利得1/10/100 kV/A、帯域幅100 kHz
¥63,700
3-5 Days
AMP100 Support Documentation
AMP100トランスインピーダンスアンプ、利得切り替え型、利得1/10/100 MV/A、帯域幅1 kHz
¥63,700
3-5 Days

取付け用クランプ


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サイドクランプECM100を使用してØ12.7 mmポストに取り付けられたEF123

アルミニウム製クランプ、ポスト取付け可能
こちらのアルマイト加工されたアルミニウム製クランプを用いると、上記の増幅器を固定することができます。クランプはデバイスの側面にスナップオンで取り付けられ、側面の2 mm六角固定ネジでフレクシャーロックを締め付けることができます。ECM100は幅25.4 mmの面に、ECM125は幅31.8 mmの面に取り付けます。

各クランプの底面にはM4ザグリ穴があり、Ø12 mm~Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)ポストやM4タップ穴のある面に取り付けられます。クランプはデバイスを取り付ける前にポストなどに取り付ける必要があります。筐体をクランプに固定するとザグリ穴にアクセスできなくなります。

プラスチック製クランプ、2個の筐体の接続用
クランプEPS125を使用して長方形の2つの筐体を接続すると、コンパクトにセットアップできます。クランプはデバイスの幅31.8 mmの面に取り付けます。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
ECM100 Support Documentation
ECM100アルミニウム製クランプ、電子回路筐体用、幅25.4 mm用
¥2,308
Today
ECM125 Support Documentation
ECM125アルミニウム製クランプ、電子回路筐体用、幅31.8 mm用
¥2,378
3-5 Days
EPS125 Support Documentation
EPS125プラスチック製クランプ、上下取付け可能、幅31.8 mm用、2個セット
¥828
3-5 Days
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