8. Sensorer- Praktiske eksempler Seks modeller presenteres som kan generaliseres slik at de kan dekke alle typer sensorer.

Transkript

1 1/18 8. Sesorer- Praktiske eksempler Seks modeller preseteres som ka geeraliseres slik at de ka dekke alle typer sesorer. Betegelser: Sesor: Alle typer Trasducer: Eergi fra e form til e ae F.eks strålig => Strøm Piezo elektrisk elemet (bidireksjoal fuksjo): Bevegelse Speig) Trasducer=SesorAktuator Detektor: Optikk, Ifrarød, Partikkel Når det gjelder bruk av modellee i de følgede simuleriger: Pspice ka fie termisk støy og "shot-oise". Ae støy som 1/f og G-R må det legges i ege modeller for.

2 / Voltaic Sesor Cc E Cc - Rs R L Vso,Eo Rs Es Cp RL IL I Vs Vs Dee sesortype geererer et speigssigal. Sesorer: Thermokobler Thermopile Pyroelektrisk ifrarød detektor CC: Fordi vi bare er iteressert i AC-dele av sesorsigalet. RL: Gir bias til forsterker og evetuell impedastilpassig. Cp: Parasittisk kapasitas i sesor eller mellom forbidelseslijer. Lav støy => RL bør være stor, Cp bør være lite og CC stor. Forsterkere bør velges slik at R0=RS og EI er mist mulig.

3 3/18 8- Biased Resistive Sesor VBB RB Rs Cc R L - Vso,Eo Rs I R B Ib Cp Cc RL IL E I drs Vs Dee type gir e variasjo i motstade (drs <<< RS). Treger biasettverk. Medfører to ye støykilder: VBB og RB. Hvis sesormotstade er plasser i ei bru vil også de adre motstadee bidra med støy. Sesorer: Strekklapp (Strai gauge) Fotokoduktiv ifrarød celle Bolometer radiatio detector Resistivt termometer Piezoresistive sesors RB: Bias CC: Fjere DC-sigalet RL: Bias: Gir forsterkerigage forspeig.

4 4/18 V S = I B ΔR S V R BB S ΔR S R Alterativt e strømkilde i parallell med RS: IS=VS/RS. B Is: Termisk støy 1/f-støy G-R støy (Geeratio-Recombiatio Ib: Termisk støy og excess støy p.g.a. RB. Lav støy => RB bør være stor. RB ka evetuelt byttes ut med L. CC bør være så stor at IXc ikke bidrar selv ikke for de laveste frekveser. Hvis VBB er kostat må RB velges som et kompromiss for å få høy ok VS og lav ok støy. Det riktige valget er avhegig av sesorkarakteristikke. Hvis VBB ka økes ka e oppå både høy gai og lav støy. RL >> RS slik at IL ikke bidrar vesetlig.

5 5/ Optoelectroic Detector Applikasjoer: Ifrarød deteksjo Varme målig Lys og fargemålig Fiberoptiske detektorer Sesorer for CDer Laser detektorer To typer: Photovoltaic: Lys gir e speig på utgag Photocoductive: Lys gir strøm (i tillegg til mørkestrømme). Krever bias for å samle ladigee. Fotokoduktive har to udergrupper: 1. E som lages av bulk halvledermateriale og hvor koduktivitete øker med strålige. Oppfattes som e variabel motstad. Diskutert tidligere.. Oppfatter detektore som e diode. Dee reversforspees. I det følgede diskuteres fotokoduktiv diode av type (d.v.s. med e diode modell av sesor)

6 6/18 IB R B λ VBB VBB λ R B ID - Vso,Eo Ecell Rcell E - RB - Vso,Eo RB Is Ip rd Cd Cw I1 I R I Figure viser tre elemeter: De ekle oppkoblige, de valigste oppkoblige og støyskjemaet for de valigste oppkoblige. Speige over RB er et produkt av RB og strømme gjeom detektore. Strømme = lekkasjestrøm sigalstrøm. RB gir e virtuell jord på igage som vil redusere igagsimpedase og dermed bedre frekvesrespose V0=-IDRB. IS: Sigalstrøm (ikke støystrøm) IP: Diodestøy i detektore ( I I I ) 1/ sh G R 1/ f rd: Dyamisk støyfri motstad i fotodiode Cd: Parasittisk kapasitas i diode Rcell: Seriemotstad i diode Ecell: Termisk støy i diode

7 7/18 CW: Parasittisk kapasitas i ledere RB: Tilbakekobligsmotstad IB: Termisk støy i RB R: Motstad på positiv forsterkerigag I: Termisk støy i R E,I1 og I: Støy i forsterkermodelle. FET igag på forsterker trolig best her!

8 8/ Photodiode Noise Mechaisms p ( I I I ) I I = I E s sh cell = sh G R E cell = qi D R Δf = 4kTR cell cell 1/ f (All strøm igjeom diode) Δf IG-R Geeratio-Recombiatio støy. Koduktivitete varierer p.g.a. variasjo i frie ladiger. "Hvit" opp til 1/levetide til e-h-par i detektordiode. Ish,IG-R og I1/f: Fuksjo av strøm og øker med strømstyrke. Miimum støy år strøm gjeom diode bare er bakgrusfotostøy.

9 9/18 NEP = Noise Equivalet Power er verdie av igagssigalet (i dette tilfelle lys effekt) som produserer et elektrisk utgagssigal som er like stort som utgagsstøye alee år det ikke tilføres oe igagssigal.

10 10/ PIN Fotodiode sesor PIN diode brukes til sylig lys og til de dele av det ifrarøde spekteret som er ærmest sylig lys. Treger forspeig gjere i området 5-0V me < 50V. Eksempelverdier: VB=0V Cd=1pF i oe tilfeller, typisk 5pF Rcell = <50Ω Rd=10GΩ ID: Mørkestrøm: 100pA typisk reversstrøm 1/f-støy: Støyhjøre: 0-30 Hz 10dB/dek stigig uder Max respos: 0.5μA/μW i lysbådet μm 0.75 elektro/foto=75% kvatum effekt NEP ed mot -110dBm/ Hz

11 11/ RLC Sesor Model Vs Rs Lp Cp Cc R L - Vso,Eo Rs Es Vs Lp Cp Cc RL IL E I Sesorer: Hoder for magetiske taper Iduktive pick-ups Dyamiske mikrofoer Lieær variable differesielle trasformatorer "diverse adre iduktive sesorer" RS: Sesor seriemotstad eller reell del av sesor impedas. ES: Termisk støy i RS LP: Sesor iduktas CP: Kapasitas som skal bidra til riktig resoas Består av --- parasittisk kapasitas itert og ekstert --- iter og ekster kapasitas CC: Isolerer DC-kompoet fra forsterker slik at dee evetuelt ka settes opp med øsket forspeig IL: Termisk støy i RL

12 1/18 Lav støy => Ved resoas vil E være ved sitt miimum og I vil bare være avhegig av impedase til serieiduktas og resistas. (Eq. 7-13) Spoler med magetkjere har avtagede iduktas og voksede motstad ved høyere frekveser. Det ka derfor være ødvedig å modulere spole ved flere frekveser. Kostruksjo av sesorspole og resoaskapasitas ka gjøres slik at e får maksimum S/N-forhold. VS er proporsjoal til atall tur R(L) er proporsjoal til atall tur for lite diameter Støy er proporsjoal til kvadratrote av atall tur. Dermed vil sigalivået øke mer e støye med økt atall tur itil e viss grese.

13 13/ Piezoelectric Trasducer E - Vso,Eo LM Lx R L C M Rs CB Cp Lx RL IL I Es "Piezo" ========== "Elektrisk" Mekaisk bevegelse Elektrisk reaksjo Applikasjoer: Mikrofoer Hydrofoer Soarer Seismiske detektorer Vibrasjossesorer Akselrometre To resoaser --- serieresoas LM og CM --- parallellresoas (CMCB) og Lx. Valigvis brukes parallell resoase LM: Mekaisk iduktas CM: Mekaisk kapasitas RS: Serietap i trasducer ES: Termisk støy i RS CB: Trasducer kapasitas

14 14/18 IS: Sigalstrøm (Ikke støy) Cp: Parasittisk kabel kapasitas Lx: Ekster spole RL: Last motstad IL: Termisk støy i RL

15 15/18 Ekvivalet igagsstøy: Z Z E i = ( I I ) Z S L 4kTRS E L P Z L ZS: Serieimpedase til RS, CM og LM. ZL: Parallellimpedase til CB, CP, Lx og RL. ZP: er ZS ZL RS er typisk lite og første ledd ka valigvis igoreres. Dette er et høyimpedassystem og E vil være lite i forhold til I. Ved lave frekveser vil ZP være meget stor p.g.a. CB og CP. For å få mist mulig støystrøm bør RL være stor og I lite. FET forsterker bør velges fordi: Lite I RL ka gjøres meget stor

16 16/ Trasformer Model Hvorfor trafo mellom sesor og forsterker? 1) Impedastilpassig gjør at både sesor og forsterker "ser" de impedase som gir mist støy. ) Gir isolasjo i mellom kilde og forsterker. (sikkerhet, DC-strømmer etc.) 3) For å oppå maksimal overførig av sigaleffekte. Me trafoe bidrar også med oe støy selv!! Impedas trasformasjo Ata ideell trafo: P V 1 p = Ps = R1 V R N S Def : T = V = TV1 N Vi får da R = R = p 1 R T N s p N

17 17/18 Slik ka sesor motstade trasformeres slik at forsterkere ser de kildemotstade som gir mist mulig støy. Vi har tidligere defiert R0=E/I. Når E' og I' er slik E og I oppleves på sourceside så har vi: E E ' = = og T I ' = TI = E I N N p s N N Vi får da på sourceside: E' E R0 R ' 0 = = = = R I' T T S P I Vi matcher slik at R'0=RS og har da RS=R0/T²=>T²=R0/RS. Vi velger dermed forholdet mellom vikliger på trafoe slik at T²=R0/RS for å få mist mulig støy. 0 N N S P

18 18/18 Rs Vs T R L - Vso,Eo Rs Es Vs C1 R C Itc Lp 1:T T1 Rsec Ers C R L E L E I VS: Sesor sigal speig RS: Sesor motstad ES: Termisk støy i RS C1: Primær shut kapasitas RP: Motstad primærside av trafoe, serie EP: Termisk støy i RP RC: Motstad primærside av trafoe, parallell Itc: Termisk støy i RC Lp: Iduktas i primærside T1: Støyfri, ideell trasformator Rsec: Motstad sekudærside av trafoe Ers: Termisk støy i Rsec C: Sekudær shut kapasitas RL: Last motstad EL: Termisk støy i RL