Laserdiode mit MHz modulieren

[P51D]

Hallo miteinander

Bei einem kleinen Bastlerprojekt wollte ich eine Laserdiode mit ~60MHz Sinus-Moduliert ansteuern.
Doch leider schafte das der OpAmp und Fet für die Stromregelung nicht einmal ansatzweise:
bis ca 100kHz geht es gut, aber dann nimmt der Strom der LD massiv ab. Bei den genannten 60MHz sind dann "nur" noch 1/5 vorhanden gewesen UND der Sinus am Shunt-Widerstand sah auf dem KO einfach beschissen aus, sofern man das noch Sinus nennen kann: Keine 60MHz und massive überlagerung der eigentlichen Frequenz.

Die Messung konnte ich bei einem Kollege im Betrieb machen, der die entsprechenden Geräte hatte. KO konnte bis 400MHz und der Geni bis ca 2.4GHz, also an denen kanns nicht liegen. Die OpAmps, die die Pegelanpassung vornahmen hatten auch keine Mühe (Glaube die Verstärkung etwas heraufsetzen wegen der Dämpfung im oberen Frequenzbereich), der Sinus war noch schön ohne irgendwelche Störsignale da.

Meine Vermutung: Der OpAmp steuert direkt ein IRF MosFet, der eigentlich auch kein Problem machen sollte, ABER muss ich da eine MosFet-Treiberstufe hinzu nehmen, da in diesen Frequenzen das Gate doch etwas mehr Strom benötigt?
Oder gibt es vertige ICs, die so etwas übernehmen: Strom einstellen und dann das Modulationssignal auf den Eingang und fertig?

Besten Dank für die Hilfe
MFG
Patrick

[goamarty]

Also direkte "MOSFET Treiber" für 60MHz kenn ich auch nicht. Angenommene 500pF Gatekapazität ergeben bei 60MHz eine Impedanz von 5 Ohm, das ist nicht viel. Der OPV muß ja ein Mehrfaches von 60MHz an Verstärkungsbandbreite haben. Schau mal bei Analog devices, die haben schnelle OPVs.
Ansonsten könntest du auch einen HF-Verstärker verwenden, der LD über eine Induktivität einen DC Bias geben und die HF über einen Kondensator einkoppeln.
Ist die Frage, ob das ein 60MHz CW signal ist, bzw. welche Bandbreite hier auftritt, welche Leistung die LD hat und wie exakt (knapp an die Grenzwerte) das ganze werden muß.

[P51D]

Der OpAmp ist einer von Analog Device, welcher eine Bandbreite von 160MHz hat (AD8041). Das Problem ist dann wohl, dass dieser bei deiner Rechnung (Z=5 Ohm => 5V/5Ohm = 1Ampere) nicht ganz den benötigten Stom treiben kann.
Das Signal wäre ein 60MHz Sinus-Signal, welches für Messungen und Frequenzmsichung benötigt würde. Das Signal wäre immer das selbe, daher keine Bandbreite.
Die LD ist eine 10mW-Version (HL6358).

Wie hast du das mit der Spule gemeint? Da werde ich nicht ganz schlau daraus.

MFG
Patrick

[goamarty]

Ich weis jetzt nicht, welche HF-technische Grundwissen ich bei dir voraussetzen kann.
Sinn des ganze ist, die 60MHz nicht über den IRF zu führen, weil das jetzt kein typisches HF Bauteil ist Du kannst dir dazu mal dessen parasitäre Kapazitäten ansehen und ausrechnen welceh Impedanzen das bei 60MHz ergibt.
Ich meine, einen Strom den die LD für zB 5mW benötigt, über einen normalen DC Stromtreiber an die LD zu liefern. Zw. Treiber und LD befindet sich eine Spule (Drossel), welche für 60MHz eine hohe Impedanz hat, damit dir keine HF über den Treiber fließt (verloren geht). An dem Punkt zwischen Drossel und LD kannst du deinen Sinus vom Generator/Sender/ HF-Oszillator oder Verstärker über einen Koppelkondensator einspeisen. Die HF Leistung drehst dann soweit auf, bis du den nötigen Modulationshub hast.
Es gibt natürlich noch ein paar Details zu beachten. Die Diode hat in diesem Betriebspunkt eine gewisse Impedanz (R,L,C), ein HF-Verstärker hat meist 50 Ohm Ausgangsimpedanz. Die muß über ein Anpaßnetzwerk auf die Impedanz der LD transformiert werden, damit die Leistung gut übertragen wird und nichts reflektiert.
Das ist so ähnlich wie im optischen, wo du zwischen Luft und Glas eine Anpassung brauchst (AR-Schicht). In der HF Technik verwendet man meist 2-3 L oder C Bauteile oder einen kleinen Transformator. Wenn du genug Leistung hast und nur einige mW brauchst, dann kann auch ein Widerstand ausreichen. Ein Laborgenerator hat meist auch kein Problem damit, wenn seine Ausgangsleistung zurückreflektiert wird, er sit kurzschluß- und leerlauffest.
Einen MOSFET als HF-Verstärker zu betreiben erfordert übrigens ein ähnliches Vorgehen, damit ich die Leistung seiner Treiberstufe effizient in das stark kapazitive Gate einkoppeln kann. Die Impedanz der LD müßte man messen, ich würde sie aber auch kapazitiv einschätzen.
Einen rückgekoppelten Stromtreiber für 60MHz zu bauen ist sicher nicht einfach, aber mMn auch nicht der beste Weg. Der AD8041 kann 50mA treiben, vielleicht kann er ja die LD direkt treiben, ohne IRF. Mit 160MHz GBW ist er aber für eine rückgekoppelte Anwendung bei 60MHz zu langsam. Bei einer Verstärkung von 2 fällt der bei 60MHz schon um ca. 2dB ab. Mußt halt die Datenblätter lesen. Zu deiner LD hab ich leider keines gefunden.

[P51D]

Meine HF-Kenntnisse sind leider sehr bescheiden, da mein Ehemaliger Berufsschullehrer der Ansicht war, dass dies ein Thema sei, welches man am Schluss der Lehre noch während 1.5 Monaten "rasch" anschauen kann.
Impedanzanpassungen, Rückkopplung, Reflexion, Stehende Wellen sind schon ein Begriff, aber dann viel weiter nicht mehr. Wir hatten damals einen kleinen AM Radio zusammengebaut, aus OpAmp und Spule.

OK, falls ich es noch nicht ganz verstanden habe, bitte korrigieren:

Vcc----LD-+--Spule(10mH @ 60MHz = ~380kOhm)-------Stromquelle(z.B LM317)
..............|
..............C
..............|
............Geni

Als OpAmp müsste ich dann wohl auf den AD8001 (Bandbreite 880MHz umsteigen)

Achja, das Datenblatt der LD:
https://www.distrelec.ch/ishop/Datashee ... 358_EN.pdf

Gruss
Patrick

[goamarty]

Im Prinzip stimmt das Bild. Wenn du aber die LD an VCC hängst, dann brauchst du einen Low-Side Treiber, zB deinen vorhandenen. Falls eine Seite der LD mit dem Gehäuse verbunden ist, dann ist diese ungeeigent um die HF einzuspeisen (zu viel Streukapazität) und du mußt die andere verwenden. Das Gehäuse muß HF mäßig auf Masse liegen, es dient dann als zusätzliche Abschirmung. VCC muß mit Kondensatoren (am besten SMD Keramik 1nF parallel 1µF) auch gut gegen Masse abgeblockt sein, damit HF nur dort auftritt, wo du sie haben willst.
Eine 10mH Spule ist für 60MHz ungeeignet, da sie zu viel parasitäre Parallelkapaziät hat. Im Datenblatt einer Spule ist eine Eigenresonanzfrequenz angegeben, diese sollte für deinen Zweck bei mindestens 300MHz liegen. Es reicht eine Impedanz von 1kOhm, das entspricht etwa 2,7µH für diese Spule.

HF-Schaltungstechnik am Schluß der Lehre schnell anschauen Ich glaub es gibt einen Grund, warum ich das etliche Semester auf der Uni hatte.

[P51D]

Beim Versuch war die Speisung der Diode mit 100uF||1uF||100nF||1nF versehen.
Die Anode der Diode ist mit dem Gehäuse verbunden, wodurch Low-Side Treiber gienge (Kathodenseitig)?

Tja, das ganze Projekt hat leider noch mehrere Baustellen(Filtern der Mischfrequenz ist zu schwach, Transimpedanzwandler als Empfänger der LD macht irgendwas...), wodurch es wohl nicht möglich sein wird, es bis zur Präsentation lauffähig zu kriegen. Aber eventuell wünscht der Lehrer, dass er das Gerät für spätere Physik-Versuche nützen kann, wodurch wir es noch fertig machen dürfen.

Die Uni kommt bei mir auch noch, aber voraussichtlich erst in etwa 2.5 Jahre (vorher muss ich noch ins Militär...)

[goamarty]

Genau, da muß ein Low-Side Treiber her, ein LM317 kann das nicht. Könnte etwas auf LM358 + FET Basis sein, oder der "Forumstreiber". Die Abblockung dürfte passen.
Wie hoch ist deine Mischfrequenz, welche Filterbandbreite benötigst du? Was wird das Ganze eigentlich? - Datenübertragung oder irgendwelche Messungen? Ich kann mich da dunkel an ein Projekt zur Messung der Lichtgeschwindigkeit erinnern - ist es das? Wenn möglich versucht man die Mischfrequenzen so zu legen, daß man fertige ZF Filter verwenden kann, breitbandig oft bei 10,7MHz (UKW-ZF), schmalbandiger bei der MW-ZF von 455kHz. Wenn es um diese Lichtgeschwindigkeitsmessung geht, dann ist natürlich die Gruppenlaufzeit der Filter entscheidend, damit das Signal nicht zu sehr verzögert wird und die muß auch stabil sein.

[P51D]

Eigentlich geht es genau um das Lichtgeschwindigkeitsprojekt.

Ok, ich versuche es mal zu erklähren:
2 Frequenzgeneratoren erzeugen die benötigten Frequenzen (60MHz für LD --> PD und Transimpedanzwandler, sowie eine 59,9MHz als Lokalfrequenz) welche bei der 60MHz Version noch über einen OpAmp geht für die Pegelanpassung (Offset von 3,5V und Vpp von 1,5V). Als Mischer verwende ich 2 SBL-1, wobei ich dann nur die Differenz benötige (habe ich beim Versuch mit einem RC Tiefpass gemacht, doch leider war die Dämpfung zu schwach -> aktiver Filter 4. Ordnung sollte reichen).

Geplant war noch ein Phasenschieber für die "Kalibration" aber, dieser hat mir ein relativ schöner Sinus komplet verhackt (bei 20kHz wars sauber aber bei 100kHz miserabel). Aber je nach dem wird das weggelassen, und einfach die Verschiebung am Anfang gemessen und ebenfalls währen der Messung, damit man die Differenz hat.

Layout-Technisch hatte ich zwar noch nie derartige Frequenzen, aber ein HF-Kenner hat mir da gesagt, dass diese Frequenzen noch nicht so kritisch wären. Das ganze habe ich versucht mit SMD zu lösen, wobei die Elemente auf der Bottom-Seite sind und die ganze Top-Plane als Ground-Fläche genutzt wird.

Beim Treiber müsste ich nur den Leerlaufstrom setzen, da ja kein "Modulationssignal" verwendet wird.

[goamarty]

Ich denke bei dem Filter eher an einen LC Tiefpaß mit 1-2 MHz Grenzfrequenz. Nicht zu niederfrequent wegen der Verzögerung (Gruppenlaufzeit). Wenn das aktive Filter 60MHz gut unterdrücken soll, dann brauchst du wieder OPVs, die bei 60MHz noch annähernd "ideal" sind, also hohe Verstärkung und gute Phasenreserve haben, vermutlich ein GBW >600MHz. Deine 100kHz und 60MHz liegen weit genug auseinander, daß das mit LC gut funktionieren sollte. Ich weis aber nicht, wie stark die 60 MHz unterdrückt werden müssen.
Warum die 60MHz über einen OpAmp? Den DC Pegel kann man mit einem Spannungsteiler einstellen, die HF über einen Kondensator dazukoppeln. Passiv ist meist linear, dein Sinus wird nicht verbogen. Daher nehme ich auch an, daß dein Phasenschieber aktiv war. Da mußt halt einen guten OPV aussuchen und die Parameter wie GBW, Verstärkung, Slew Rate, Großsignalverhalten verstehen und beachten.
Bezüglich Layout hast du recht, 60MHz sind nicht so kritisch wie zB 2,5GHz. SMD und Groundplane sind der richtige Weg, ich machs nur umgekehrt: Unten die Groundplane und oben die Bauteile. Das lässt sich aber bei der Montage durch wenden der Leiterplatte korrigieren. Dann liegt sie auch flach am Tisch und man kann oben messen.

Klar, der Treiber liefert keine HF, aber LM317 lässt sich trotzdem nicht (sinnvoll) als Low-Side Treiber verwenden. Bei ausreichender Betriebsspannung (>6V)und Abstand zur Maximalleistung der LD (nur wenige mW statt 10) könnte man den Strom auch durch einen Widerstand einstellen.

[P51D]

Das Problem bei den LC oder RC Filtern ist, dass diese "nur" 40 oder 20dB Dämpfung pro Dekade haben. Bei einer Sinus von 1Vpp sind immer noch 10mV Vpp von den 119.9MHz enthalten.
Beim Filter 4. Ordung wären es nur noch 100uV. Und auf dem KO ist es angenehmer, wenn man die Verschiebung der Signale messen kann und nicht noch zuviel von der additiven Frequenz dabei ist.

Den Treiber werde ich über OpAmp und Fet aufbauen und die HF über den Kondensator einkoppeln.
Das HF-Signal wollte ich noch über einen OpAmp führen, damit die Vpp angepasst werden kann, da mir gesagt wurde, dass für den SBL-1 Mischer eine HF Vpp von 400-500mV und eine LF von 1-1.2V Vpp ideal wären.

Der Phasenschieber war ebenfalls aktiv. Könnte man das auch mit einer RC Beschaltung lösen? Ich erinnere mich da waage an den Phasenschieber-Oszillator der mit 3 RC-Gliedern eine 180° Drehung bewirkte.

Als Opamp bin ich zwischen dem AD8002 und dem AD8001 unentschieden, da der 8002 praktisch wäre (2 integriert->Filter) aber leider schon ein wenig vor 100MHz in der Verstärkung einbricht. Eventuell hast du auch hier noch einen Rat.

Bei der Positionierung der Bauelemente ist es einfacher diese auf der Unterseite zu haben, da der Print selber geätzt wird und keine Durchkontaktierungen machbar sind (ausser über Drahtbrücken). -> THT und SMD können auf der gleichen Seite verlötet werden.

Besten Dank überhaupt für deine sehr grosszügige Hilfe.

[goamarty]

Die meisten Oszis (mit größerer Bandbreite als 20MHz) lassen sich auf 20MHz begrenzen, haben also schon ein eingebautes Filter. Das reduziert auch die Rauschbandbreite. Bei voller Bandbreite hast du meist mehr als 20mVpp Rauschen. Dieses Filter ist auch von guter Qualität. Es ist aber auch kein Problem, ein LC Filter 4.Ordnung zu bauen, das braucht halt 2 C und 2L. Keine Angst vor Spulen, die kann man fertig kaufen.
Den Verstärker für die 60MHz würde ich mit einem Transistor realisieren. Für kleine Verstärkung reicht ein BC547 und 4 Widerstände (+ 2 Koppelkondensatoren). Der BC547 hat eine Transitfrequenz von 300MHz, ich habe damit schon UKW Sender gebaut. Schau dir da bitte die Grundlagen auch etwas an (Emitterschaltung). Vor ein paar Jahren hat es für den HF Bereich noch gar keine OPVs gegeben und auch jetzt ist der OPV nicht immer das Mittel der Wahl. Der OPV muß aufgrund seiner Gegenkopplung immer viel schneller als das Nutzsignal sein. Damit wird er aber auch kritisch in der Anwendung, bezüglich parasitärer Schwingungen, Entkopplung und Impedanzen. Du brauchst zum Ansteuern des Ringmischers ja keine exakte Verstärkung sondern nur einen Pegel im passenden Bereich.
Für den Phasenschieber erinnere ich mich vage an eine Schaltung mit 2 Zweigen, einem Hochpaß und einem Tiefpaß. Zwischen diesen beiden Signalen unterschiedlicher Phasenverschiebung könnte man dann bei 100kHz mit einem Poti "überblenden". Das ist frequenzabhängig, aber muß eh nur für eine f funktionieren. Bezüglich dieses einstellbaren Phasenschiebers hab ich aber jetzt nix konkreteres im Kopf.
Ein Doppel-OPV kann für Filter wegen der Überkopplung zwischen den Pins gefährlich sein, einzelne sind da gutmütiger, du hast mehr Dämpfung zwischen den Stufen. Die beiden AD800x sind current-feedback-amplifier. Das sind keine Differenzverstärker, die beiden Eingänge sind sehr unterschiedlich und die Verstärker müssen sehr niederohmig beschaltet werden. Lies das Datenblatt auf jeden Fall sehr genau und such auf der Webseite von AD auch nach Application Notes.
Zur Leiterplatte: Ich wüßte nicht, daß du THT auch einsetzt, ich baue soweit möglich in SMD.

[P51D]

OK, dann werde ich (schon rein aus Kostengründen) die LC-Filter Version bauen.
Ich habe da 2 LC-Glieder geplant mit einer Resonanzfrequenz von 15MHz und 1,5MHz (sollte genug weit von 100kHz entfernt sein damit das Signal nicht noch verstärkt wird und die 119,9MHz dann schön unterdrückt werden).
Generelle Frage: können hier die Resonanzfrequenzen zu nahe bei einander liegen? Z. B. 15MHz und 10MHz.
Muss ich da bei den Spulen noch etwas spezielles beachten, abgesehen davon, dass die Resonanzfrequenz deutlich höher sein sollte?

Beim Transistorverstärker (ebenfalls wieder die Kosten) habe ich wieder brav die alten Bücher hervorkramen müssen, damit ich wieder gewusst habe, wie die Werte zu berechnen sind. Doch leider ist mir etwas "wichtiges" entfallen: Die Verstärkung ist ja Uaus/Uein oder auch Rc/Re. Kann ich jetzt als RC einen Trimmer nehmen, damit ich eine varible Verstärkung erhalte, die ich später nach-justieren kann?

Die Photodiode kann ich anstelle einse Mikrofons bei einem Emitter-Mikrofonverstärker einbauen? Oder müsste die Diode Kathode an Vcc über Widerstand (Strombegrenzung ~"Verstärkung") und C auf den Basis-Vorspannungsteiler?

THT sind nur Trimmer, BNC-Buchsen und Jumper, LD, PD und Bananenbuchsen gewesen. Diese sind praktischer im THT zu verbauen....

[goamarty]

Ein Filter 4.Ordnung sollte man auch als solches Dimensionieren, nicht einfach 2 willkürliche RC Glieder hinterienander. Es gibt dazu auch einige nette Freeware Programme, einfach mal Googlen. Die Resonazfrequenzen sollen nicht wegen einer möglichen Verstärkung weit von 100kHz wegliegen, diese Verstärkung kann man mit kleinen Serienwiderständen zu den Spulen kontrollieren. Da mußt du natürlich den Widerstand der Spulen berücsichtigen. Ein zu niederfrequentes Filter hat aber mehr Verzögerung und bei deiner Nutzfrequenz einer stärker schwankende Phasenverschiebung. Es gibt ja verschiedene Filtertypen zB klassisch Butterworth, Bessel, Cauer. Da mußt du dir das richtige aussuchen.
Zur Not kannst du im Verstärker einen Trimmer nehmen, halte ich aber nicht für nötig. Das wird auch nicht direkt im Buch stehen, das hängt zB von der Frequenz, vom Aufbau und der nötigen Stabilität ab. Ich sehe in der Schaltung keine Stelle, wo die Verstärkung so krititsch ist, es geht ja nur um die Frequenzen. Die SMD Bauteile bekommt man prima unter Verwendung eines zweiten Lötkolbens raus, der kann ja ein 5 Euro Billigteil sein.
Deine Frage bezügl Fotodiode in Mikrofonverstärker kann ich dir nicht beantworten, da ich die Schaltung deines Mikrofonverstärkers nicht kenne. Generell aber nicht, denn erstens liefert ein Mikrofon Wechselspannung, falls es einen Gleichspannungsanteil hat (Versorgung eines Elektretmikrofones), dann brauchst du sowieso einen Koppelkondensator. Zweitens ist ein Mikrofon eher niederohmig (~ 1kOhm), Fotodioden werden mit Arbeitswiderständen bis 1GOhm betrieben, sie sind selbst hochohmig und arbeiten als Stromquelle. Drittens soll deine Fotodiode bei 60MHz arbeiten, das ist eigentlich das KO Kriterium für den Mikroverstärker, der soll ja nur bis 20kHz arbeiten.
Da mußt du schon etwas Literaturrecherche betreiben und auch bei den großen Halbleiterherstellern nach Bauteilen und Application Notes für Fotodiodenverstärker suchen (Analog Devices, Linear Technology, National Semiconductor, Maxim-IC, usw.)