MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉNÖKI ÉS INFOMATIKAI KA ELEKTOTECHNIKAI-ELEKTONIKAI TANSZÉK D. KOVÁCS ENŐ ELEKTONIKA II. (MŰVELETI EŐSÍTŐK II. ÉSZ, OPTOELEKTONIKA, TÁPEGYSÉGEK, A/D ÉS D/A KONVETEEK) Villamosmérnö szak (BSc) Levelező agoza ELŐADÁS JEGYZET 2008.
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék 3.0. MŰVELETI EŐSÍTŐK (FOLYTATÁS) 3.5. Művelei erősíők kapcsolóüzeme A művelei erősíők elíéses üzemén a menei feszülség éréke nincs lineáris kapcsolaban a menei feszülséggel. A elíéses aromány jellemző paraméerei: a) saikus paraméerek maximális menei feszülségek: max (röviden Û ) és - max (röviden Û -). (A ké feszülség különböző lehe.) Maximális szimmerikus menei feszülségaromány: ± smax Maximális közösmódusú menei feszülségaromány: ± kmax b) dinamikus paraméerek max. menei jelválozási sesség (slew rae) egyéb ranziens paraméerek A művelei erősíők menei jelválozási sessége alacsony (különösen akkor, ha áramkorláozás is van épíve), ezér speciálisan erre az üzemállapora fejlesze, művelei erősíő kapcsolásechnikán alapuló (és ezér ide sorol) komparáor áramkörök állnak rendelkezésre, amelyek sokkal gyorsabb jelválozási sességgel rendelkeznek. A komparáorok eseén a ranszfer karakeriszika linearíása is rosszabb, min az álalános célú művelei erősíőknél, mivel erősíőkén ezeke az áramköröke nem alkalmazzuk. A komparáorok speciális meneekkel is rendelkezhenek, így TTL vagy CMOS kompaibilis és nyio kollekoros (OC) mene. A legjellemzőbb alkalmazási erüleek: Komparáorok Mulivibráorok Hullámforma generáorok (a szarodalom alkalmankén ez az áramkör-csoporo nem ide sorolja) 3.5.1. Komparáorok A komparáorok ké feszülség összehasonlíására használ áramkörök. Az egyik feszülség a referencia feszülség ( EF ), amely ünee feszülség és ezzel hasonlíjuk össze a másik feszülsége. A komparáor egyik menei állapoa az > EF, míg a másik az < EF állaponak felel meg. Komparáor ípusok: Hiszerézis-nélküli komparáorok Hiszerézises komparáorok Ablak-komparáorok A hiszerézises komparáorok abban különböznek a hiszerézis-nélküli komparáorokól, hogy az egyik elíési állapoból a másikba örénő felfuáshoz szükséges menei feszülségek elérnek egymásól. A közük lévő feszülségkülönbsége nevezzük hiszerézis-feszülségnek. A hiszerézises komparáoroka poziív visszacsaolással gyorsíjuk, míg a hiszerézis-nélküli komparáorok álalában nem visszacsaolak. Az ablakkomparáorok jelzik, hogy a vizsgálandó jel le esik-e a jel egy meghaározo arományába. 3.5.1.1. Hiszerézis-nélküli komparáorok A differenciál erősíő (ranszfer karakeriszikája mia) alapveően alkalmas ké feszülség s hibával örénő összehasonlíására. A művelei erősíők (még inkább a komparáorok) pedig felépíésük alapján a szimmerikus különbségi feszülsége erősíik, így ovábbi áramkörök nélkül is alkalmasak ilyen feladaok elláására. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze nappali agozaos villamosmérnök hallgaóknak 2
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék A hiszerézis-nélküli komparáor elvi kapcsolása és ranszfer karakeriszikája: ˆ u u EF EF u Bármelyik mene lehe a referencia mene (eől függ, hogy a menei feszülsége hogyan érelmezzük). ˆ = A0u ˆ s, ha, ha, ha EF u ˆ A u 0 u EF EF ˆ A ˆ A 0 EF 0 ˆ A A feni összefüggésekből láhaó a hiszerézis-nélküli komparáorok egyik háránya, hogy van egy aromány (a lineáris erősíés arománya, u =u s A 0 ), ahol az áramkör nem komparáorkén, hanem erősíőkén viselkedik, bár ez a aromány a eljes menei jelarományhoz képes nagyon szűk. Az ilyen komparáorok alkalmazásá megnehezíi, hogy a menei jelre szuperponálódo - akár s mérékűzaj, zavar is a menei feszülsége állandóan válozaja, így a zajos menei jele előzeesen le kell szűrni. Ezek a hibák a hiszerézis-nélküli komparáorok alkalmazhaóságá erősen korláozzák. A gyakorlaban elsősorban nullpon (nullámene) deekorkén alkalmazzuk őke. A mene védelme a szimmerikus menei feszülség-úlerhelés ellen: 0 ˆ Az ellenállások helyes méreezésével a maximális szimmerikus menei feszülség ± D lesz. u EF A mene védelme a közösmódusú menei feszülség-úlerhelés ellen: u 1 2 A menei feszülségek EF A komparáorok ké menei feszülség érékkel rendelkeznek, azonban ezek a feszülségek nem sabilak, érékük a erhelésől, ápfeszülség-válozásól és a hőmérsékleől függ és smérékn válozha. Amennyin sabilabb, vagy meghaározo feszülség-arományú jelre van szükség, akkor a menee sabilizálni kell. A menei feszülség sabilizálása Zener diódákkal: Z1 Z1 D = ( Z 2 D) Az méreezésénél figyelem kell venni a komparáor maximális menei áramá, a erhelés áramá és a Zener szükséges minimális áramá is! Z2 Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 3
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Speciális menei feszülségek A komparáorok menee csalakozha TTL vagy CMOS áramkörökhöz, illeve meghajha speciális erheléseke, pl. relé, LED, sb. A digiális áramkörökhöz illeszkedő menenek kell elégíeni a szigorú menei feszülségekre vonakozó előírásoka. Így, pl. a TTL szinű mene előállíhaó: Gyárilag TTL szinre illesze meneű speciális komparáorokkal (kaalógus áramkörök) Illesző áramkörök alkalmazásával (eseleg szigeel leválaszással, pl. opocsaolókkal) Nyio kollekoros (OC) meneű komparáorokkal (kaalógus áramkörök) Speciális Zener-diódás sabilizálással A sességigény mia a gyors TTL meneű komparáor az opimális megoldás, de ezek speciális áramkörök. Egy másik leheőség a nyio kollekoros meneű áramkörök alkalmazása =5 V Az erhelés lehe egyéb erhelés is, pl. relé. A ápfeszülség is növelheő, pl. 15 V-ra CMOS áramkörökhöz. 3.5.1.2. Hiszerézises komparáorok A hiszerézises komparáorok poziív visszacsaolás aralmaznak, amelynek előnye, hogy haározoá eszi a komparálás (a legsebb különbség haására - a poziív visszacsaolás mia- a különbségi jel folyamaosan nő és a mene elíés megy) és felgyorsíja a mene elíési állapoának elérésé. Gyakorlailag lineáris erősíési aromány nem lehe. A hiszerézises komparáorok egy elsősorban a digiális echnikában használválfajának elnevezése: Schmi-riggerek. A Schmi-riggereke megvalósíják diszkré áramkörökkel, pl. ranziszorokkal, de gyakrabban inegrál formában a Schmi-riggeres digiális áramkörök formájában. A komparáor mind az inveráló, mind a nem inveráló mene felöl lehe vezérelni. Inveráló mene felöl vezérel komparáor u u s 2 EF 1 u u p A poziív mene feszülsége a szuperpozíció éel segíségével számíhaó: u p = u 2 1 2 EF 1 1 2 A mene billenése (egyik elíési állapoból a másikba áválása) akkor kövekezik, amikor az u s előjele vál. A válás az u =u p feszülségnél kövekezik. A mene ké éréke vehe fel, így a billenés ké menei állaponál örénik: 1 2 = ˆ = ˆ 2 1 1 2 2 2 EF EF 1 1 1 2 1 2 Ha az u s poziív, akkor a mene Û éréken lesz. Ez akkor áll fenn, ha a u 1. A mene akkor lesz Û - éréken, ha u 2. A referencia feszülség eszőleges előjelű lehe. A feniek alapján az áramkör ranszfer karakeriszikája: Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 4
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Û 2 u EF 1 /( 1 2 ) 1 u Û - H A hiszerézis aromány nagysága: 2 ( ˆ ) ˆ H = 1 2 Neminveráló mene felöl vezérel komparáor EF u s u 2 1 u u p A poziív mene feszülsége a szuperpozíció éel segíségével számíhaó: u p = u 2 A billenés haára: EF =u p. 1 2 u 1 A billenés ké menei állaponál örénik: 1 2 = ˆ = ˆ 2 1 2 1 EF EF 1 2 2 1 1 2 1 1 Amennyin az u s poziív, akkor a mene Û éréken lesz. Ez akkor áll fenn, ha a u 1. A mene akkor lesz Û - éréken, ha u 2. A referencia feszülség eszőleges előjelű lehe. A feniek alapján az áramkör ranszfer karakeriszikája: EF (1 2 / 1 ) 1 u Û 2 u Û - H A hiszerézis aromány nagysága: ( ˆ ) ˆ = 2 H 1 Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 5
3.5.2. Mulivibráorok Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék A mulivibráorok ké menei állapoal rendelkező impulzusechnikai áramkörök. Aól függően, hogy a ké mene közül hány mene állapoa sabil és hány válozha meg külső avakozás nélkül a mulivibráoroka három csoporra oszjuk: Asabil mulivibráorok (AMV): mindké menei állapo insabil, állapoá külső avakozás nélkül meghaározo időfüggvény szerin válozaja (szabadon fuó oszcilláor). Monosabil mulivibráorok (MMV): egy sabil állapoa van. Az áramkör ebből a sabil állapoból csak külső jel (rigger) haására billen, de a mene áhaladva az insabil állapoon ismé a sabil állapoba ju. Különbség van a különböző MMV áramkörök közö abban, hogy a már elindío mulivibráor a billenési idő ala újra indíhaó-e vagy sem egy újabb indíó jellel. Bisabil mulivibráorok (BMV): ké sabil meneel rendelkeznek és inkább a digiális echnikában alkalmazoak (árolók). A sabil állapookból csak indíó jelek segíségével billenheők. Álalában ké jelre van szükség a billenéshez és a visszabillenéshez (SET, ESET), de vannak áramkörök, ahol egy jellel is megoldhaó az egyszer oda- egyszer visszabillenés (T ároló) Diszkré kapcsolásechnikával mindhárom áramkörfajá megvalósíják, de művelei erősíőkkel csak az AMV és az MMV áramkörök megvalósíása szokásos. Digiálisechnikai áramkörökkel (TTL, CMOS) monosabil mulivibráor és ároló áramköröke valósíoak meg, az AMV a monosabil áramkörökkel valósíhaó meg. Működése: 3.5.2.1. Asabil mulivibráor művelei erősíővel A kapcsolás ké visszacsaolás aralmaz a) egy poziív visszacsaolás ellenállásoszón kereszül és b) egy időfüggő negaív visszacsaolás az C inegráoron kereszül. A () meneen a feszülség ( p ) mindenkor a menei feszülség egy meghaározo (leoszo) része. A ( ) meneen a feszülség (u c ) a kondenzáoros inegráor mia exponenciálisan válozik (a menei feszülség közel állandó, így a ölés konsans feszülségről örénik, ami exponenciális ölőáramo eredményez). u c C i Amennyin a kondenzáor feszülsége eléri az p feszülségé (ami konsans, ha a menei feszülség konsans), akkor a mene az u s előjelválása mia ellenkező állapoába vál. p 2 1 Û u c u p Elmélei kondenzáor feszülség Û - Legyen a ké menei feszülség abszolú éréke azonos: Û.! p = ˆ τ uc = 1 e 2 1 2 ( ˆ p ) p A ölés (vagy süés) addig ar, amíg u c = p nem lesz. p = u c = 1 e 1 τ ( ˆ ) = 2 p p 1 τ ln 1 2 1 Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 6
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Ha a ké menei feszülség azonos (feléel vol), akkor a ölési és süési idő is azonos lesz, így a periódusidő T= 1 2 =2 1 Az AMV frekvenciája: A ölési ényező 1 1 f = = T 2 2τ ln 1 2 1 γ = 1 = 50% T A frekvencia válozahaó az 1 / 2 aránnyal, a ölési ényező és a frekvencia együ válozahaó, ha az ölő/süő ágban egy diódával különböző ölő és süő ellenállás állíunk. Működése: 3.5.2.2. Monosabil mulivibráor művelei erősíővel A kapcsolás hasonló felépíésű, min az AMV, csak egy indíó meneel rendelkezik és a kondenzáor feszülsége negaív irányban egy dióda segíségével az D feszülségen haárolva van. u C 1 A működés feléele p > D D C i Alapállapoban (sabil állapo) a mene u =Û - éréken van (a dióda u c jelenlegi köési iránya melle, de fordío köés eseén is működik a kapcsolás, csak akkor érelemszerűen minden állapo ellenéesre válozik). Az 2 -C 1 áramkör deriváor áramkörkén működik és a menei jele deriválja. A deriválás során előállío poziív impulzus hozzáadódva az p mene jeléhez a mene feszülségé megemeli a dióda feszülsége fölé és így a mene ábillen a másik elíési feszülségre. (Ennek ovábbi feléele, hogy a deriválás során kelekező impulzus szélessége akkora legyen, hogy a menei jelválozási sessége figyelem véve legyen elegendő idő az áválásra, mielő az impulzusjel lecseng.) p 2 1 Û u Elmélei kondenzáor feszülség p D u c -Û 1 u 2 indíás derivál jel A negaív impulzus a sabil állapoo nem folyásolja, mivel az így kapo feszülség a mene feszülségé olyan irányba válozaja, hogy a sabil állapo ne válozzon. Az insabil állapoban ( 1 ) a kapcsolás úgy működik, min az AMV kapcsolás. A ranziens lezajlása uán a mene a sabil állapoba ábillen és o marad, amíg újabb indíó impulzus nem érkezik. Fordío sabil állapo állíhaó, ha a dióda irányá megfordíjuk. Újabb indíó impulzusnak csak 2 idő uán szabad érkeznie, egyébkén a működés bizonyalan lesz. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 7
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Legyen a ké menei feszülség abszolú éréke azonos: Û. Hanyagoljuk el a dióda feszülsége a menei feszülséghez képes, mivel Û >> D. p = ˆ τ uc = 1 e 2 1 2 ( ˆ D ) D Az insabil állapo (billenés) addig ar, amíg u c = p nem lesz. p = u c = 1 e 1 τ ( ˆ ) = 2 D D 1 τ ln 1 1 A billenési idő válozahaó az 1 / 2 aránnyal. Az érzékelenségi aromány ( 2 ) meghaározhaó az előzőek szerin: ( ˆ p ) p u c = τ 1 e Az érzékelenségi aromány addig ar, amíg u c =- D nem lesz. D = u c = 1 e 2 τ ( ˆ ) 1 22 = = 2 p p 2 τ ln τ ln 1 1 2 1 2 3.5.3. Időzíők/imerek ( ) Az időzíő áramkörök a komparáorok és a logikai áramkörök olyan speciális kapcsolásai, amelyek álalános célú időzíés, valamin AMV, MMV, PWM, sb. feladaok végrehajására alkalmasak. Egy ipikus imer céláramkör: Az áramkör széles ápfeszülség-arományban működik és mind ranziszoros, mind FET-es echnikával megvalósíják. ese örlés hreshold küszöb Conrol vezérlő Trigger indíás 1 Cl S _ Q erősíő Q discharge süés S Oupu mene 2 ároló Működése: A menee alapállapoba a ESET mene segíségével lehe állíani. Ha a TIGGE meneen a feszülség sebb, min /3, akkor az 2 a ároló billeni Q=1 állapoba (ez a mene is egyn) és a kapcsoló S kapcsol, mivel a negál mene állapoa=0 lesz. Ha a THESHOLD meneen a feszülség nagyobb, min 2/3, akkor a ároló örlődik, a Q=0, lesz és a kapcsoló ranziszor kapcsol. A CONTOL meneen kereszül leheőség van a referencia feszülség állíására. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 8
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Alkalmazási példa: AMV időzíő áramkörrel ( ) Tölés: Kisüés: τ = 1 ( ) 2 1 3 e = τ ln 1 1 1 τ = C 2 2 1 3 e = τ ln 2 A frekvencia: 2 2 2 1 τ C 1 = 3 ( 2) 0.7τ 2 τ 2 ( 2) 0.7τ 1 f = = A ölési ényező: 2 3 1 2 3 = 3 ( τ τ ) ln( 2) ( 2 ) ln( 2) 1 2 1 2 1 2 C 1 τ1 1 2 γ = = = T τ τ 2 1 2 1 2 = A menei jel elvileg sem lehe szimmerikus, mivel a ké időállandó különböző! 1 1 2 C ESET CONTOL THESHOLD TIGGE OT DISCHAGE 3.6. Jelkondicionáló áramkörök A jelkondicionáló áramkörök feladaa, hogy alacsony jelszinű jelforrások jelé olyan szinre hozza, hogy az ovábbi feldolgozásra alkalmas legyen. A jelforrások álalában alacsony jele szolgálaó (µv...mv) nemvillamos mennyiségeke áalakíó szenzorokól (ransducer) származnak, és nagy erősíés igényelnek különlegesen nagy lineariással és sabiliással alacsony zajszin melle (ezek mérésechnikai erősíők, így a mérési hiba mia különösen alacsony hiba engedheő meg). Gyakran egyéb járulékos feladaoka is meg kell oldani, pl. galvanikus leválaszás vagy karakeriszika linearizálás, hőkompenzáció, sb. Gyakori, hogy a jelforrás és a jelfeldolgozás helyileg jelenős ávolságra van egymásól, így analóg jelávieli és EMC zavarvédelmi problémák is felmerülnek. Ennek megoldására szolgáló erősíők a feszülség/áram áalakíó erősíők. A jelkondicionáló áramkörök közé lehe sorolni a jelformáló erősíőke is, amelyekről korábban már szó ese (Elekronika I.). A ovábbi fejezeek elsősorban a mérésechnikában fonos jelkondicionáló erősíők jellemzőivel foglalkoznak. Tipikus jelforrások: reziszív érzékelők indukív érzékelők kapaciív érzékelők piezoelekromos érzékelők, sb. A jelforrások (J), ápelláás (T) és a jelkondicionáló áramkörök (A) csalakozaásának leheséges módjai (a jelforrás ípusáól függően): 1-vezeékes rendszerek: A módszer háránya, hogy a zavarvédelmi szemponból legérzékenyebb vezeék a referencia vagy vonakozaási vezeék (kevésbé szabaosan a földvezeék) bizonyalan impedanciájú. Ez a megoldás álalában olyan helyen alkalmazzák, ahol a vezeékekkel való akarékosság fonos, pl. gépjárművek elekromos és elekronikai egységei. J A Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 9
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék 2-vezeékes rendszerek: A módszer elsősorban konakusnélküli közelíéskapcsolók (rendszerin kéállapoú) jeleinek ovábbíására használjuk. A jeladó önfogyaszásá egy minimális áram fedezi és az ennél nagyobb áram hordozza az információ, amelye egy ellenállással alakíunk á feszülséggé a jelfeldolgozó számára. Szokásos, pl. a 4 ma referencia szin vagy élőnulla és 20 ma, min jelszin. Élőnulla alkalmazása leheővé eszi a vezeékszakadás szűrésé is. A módszer vezeék akarékos, de analóg ávielre korláozoan alkalmas. J A T 3-vezeékes rendszerek: jel A megoldás közös földvezeéke használ, amely analóg jeláviel eseén galvanikus csaolási hibáka hordozha magában. Különösen jól alkalmazhaó azonban közelíéskapcsolók jelének ovábbíására, ahol a jel-mene lehe relés, NPN vagy PNP ranziszoros. J - A T 4-vezeékes rendszerek Különösen jól használhaó fél-, vagy eljes hídba kapcsol, illeve egyéb szimmerikus menei feszülségű áalakíók eseén (pl. nyúlásmérőbélyeges híd). A jel szimmerikus jelkén kerül feldolgozásra, így a közösmódusú problémák jobban kezelheők. A jelvezeék álalában árnyékol, mivel a jelszin alacsony és érzékeny az elekromágneses zavarokra. A módszer háránya, hogy hosszú vezeékek eseén (amely az ipari gyakorlaban a jelforrás helye és a feldolgozás helye közöi ávolság mia jelenős lehe) a vezeék impedanciák haásá, az árammal ájár ápfeszülség vezeékeken fellépő feszülségesések mérési ponosságo ronó haásá nem lehe kompenzálni. J - Jel- Jel A T 6-vezeékes rendszerek: Ké árammal nem erhel- vezeékkel (sense és sense-) érzékeljük a híd ápfeszülségé a szenzor helyén és a ápegység a ápfeszülsége nem a jelfeldolgozási, hanem a jelforrási oldalra sabilizálja így a ápfeszülség vezeékek impedanciáján lérejövő feszülségesés kompenzálja. Ezzel a megoldással a 4-vezeékes rendszerre elmondo hiba jelenősen csökkenheő. A szenzor (sense) vezeékeke árammal erhelni nem szabad. J - Sense- Sense Jel Jel- A T 3.6.1. Mérőerősíők (Műszererősíők, Insrumenaion amplifiers) A mérőerősíők az alacsony jelszinű jelforrások jelé erősíik fel az analóg echnikában szokalanul nagy, gyakran öbzer-szeres erősíéssel nagy linaríás és sabiliás melle. Bizonyos ípusaik egészíő elekronikakén aralmazhanak szűrőke is (monoliikus műszererősíők). Az alapveő probléma az, hogy a jelforrás jelszinje és a külső és lső forrásokból származó zaj és zavar, valamin a drifek (hőmérséklei, ápfeszülség okoza és hosszúidejű alkalmazás okoza drif) a jelforrással közel azonos jelszine eredményezhenek, amely leheelenné enni a hasznos jel és a zajok zavarások széválaszásá. Leheséges megoldás a jel megszaggaása (chopper-sabilizál egyenáramú erősíők) és válakozó jelkén örénő erősíése (ilyenkor az egyenáramú hibák haása lecsökken), majd az egyenszin visszaállíása szűrőkkel, azonban ez a módszer jelenősen lekorláozza a jövő jel felső haárfrekvenciájá a szükséges minavéelezés mia. A fejeze ovábbi részei ezér csak a gyakrabban alkalmazo, szélesebb sávú egyenáramú műszererősíőkkel foglalkoznak. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 10
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék A mérőerősíők álalános jellemzése: szimmerikus mene, aszimmerikus mene nagy erősíés alacsony menei feszülség aromány nagy CM alacsony zaj nagy menei ellenállás nagy linearíás alacsony drifek (nagy sabiliás) 3.6.1.1. Három művelei erősíős mérőerősíő (műszererősíő) Mérőerősíőke egy- és kéműveleierősíős megoldásokkal is fejleszeek, de jobb megoldás eredményeznek a fejezeen mérésechnikai célokra fejlesze műszererősíők, amelyeke gyakran egy inegrál formában illeve összeeebb -egyéb funkciókkal is egészíe- esen hibrid áramkörkén gyáranak. Az áramkör alkalmas nagyobb erősíések megvalósíására (2000-2500), amely különösen alacsony jelszinű áalakíók eseén fonos. Az alacsony zaj, nagy linearíás és sabiliás, s drifek és nagy CM alapköveelmény. Inegrál formájában úgy alakíják, hogy csak minimális külső alkarész igényelnek, mivel ezek ulajdonságai leronhaják az egész áramkör ulajdonságai. Gyakran épíésre kerül a hídmeghajó ápegység (6-vezeékes alakíásban), valamin hibrid esen hangolhaó analóg szűrő kapcsolások is csalakoznak az áramkörhöz. Alapkapcsolás: 1 Megjegyzés: A meneen lévő C agok (szaggaoan rajzolva) a zajok, zavarok szűrésé szolgálják, illeve a menei ellenállás állíják opimális érékre, alkalmazásuk opcionális. I 4 4 3 u 3 s 4 2 2 u 1 Az erősíés meghaározása: A = A A, ahol A I az első, az A II a második fokoza erősíése, A u az eredő erősíés. u I II Az első fokoza erősíésé abból indulva haározhajuk meg, hogy a művelei erősíők ké menei kapcsa közö a feszülség elhanyagolhaóan csi lineáris üzemn. Ez figyelem véve az 4 ellenállás feszülsége meg kell, hogy egyezzen közelíőleg a menei feszülséggel. Figyelem véve az, hogy elhanyagolhaó a művelei erősíő folyó menei áram, így az 3 ellenállásokon folyó áramoknak meg kell egyezni az 4 ellenálláson folyó árammal. u 4 I = u = 2 i 3 i 3 4 u = u 4 4 4 = u 4 1 2 3 4 = u 1 2 3 4 I. fokoza II. fokoza I AI = 1 u 2 3 4 A második fokoza egy már korábban ismeree vonó vagy differencia-erősíő, amelynek már ismer az erősíése: A II = 1 2 Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 11
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Az eredő erősíés ehá: A u = 1 3 1 2 2 4 A kapcsolásból láhaó, hogy az 4 az egyelen olyan ellenállás, amelye nem párban kell állíani és haása van az erősíésre (a feni összefüggés alapján) így a professzionális áramkörökn az ellenállás ké kapcsá vezeik és kívülről lehe ellenállás vagy poencioméer rákapcsolni (néhány gyakori erősíésérékre gyárilag inegrál ellenállások is rendelkezésre állnak, így azokra kívülről nem kell ellenállás kapcsolni.). A jelkondicionáló működésé folyásoló haások és kompenzálásuk: A jelkondicionáló és a feldolgozási pon közöi vezeék ellenállás haásának küszöbölése A műszererősíő menee és a jelfeldolgozási pon ávol lehe egymásól, így a vezeék ellenállás jelcsökkenő haásá nem lehe figyelmen kívül hagyni. Ez a haás csökkenheő, ha a vezeéke az ábra szerin a kapcsolás részévé esszük. A SENSE és a EF ág impedanciája azonos, mivel ugyanolyon vezeékből épülnek fel, így az erősíés nem a mérőerősíő meneei ponjára van definiálva, hanem a feldolgozási ponra (a erhelésre). Ez a megoldás ovábbá leheővé eszi, hogy külső meghajó erősíővel a mene erhelheőségé megnöveljük a feszülségerősíés válozaása nélkül. Ezek a leheőségek legöbb inegrál műszererősíő épíésre kerülnek. 3.6.2. Szigeel erősíők A szigeel erősíők feladaa a - és menei ponok galvanikus elválaszása zavarvédelmi vagy élevédelmi megfonolások mia nagy linearíás melle. Elsősorban ipari környezen a különböző forrásokból származó jelek okoza zavarok és a jelfeldolgozó egység védelmén alkalmazzuk, de vannak erüleek, ahol az elválaszás szabványok írják elő, pl. orvosechnikai alkalmazások. Az áramkörnek a sabiliás és linearíás melle rendelkeznie kell nagy leválaszási feszülséggel (áüési szilárdsággal), amelynek előír nagysága a környező feszülségekől függ és álalában 1.5-3.75 kv közé esik. A eljes galvanikus leválaszás érdekén gyakran a ápfeszülsége is leválaszják az erősíőkől mind a primer mind a szekunder oldalon. A leválaszás örénhe ranszformáorosan vagy opoelekronikai úon. A szigeel erősíők áramköri jelölése: I 4 4 3 u 3 s 4 2 2 1 1 SENSE OT EF u Meghajó (opcionális) u f - PSD Tápfeszülség a szekunder oldalon nem szigeel - Tápfeszülség a szekunder oldalon szigeel 3.6.2.1. Transzformáoros leválaszású szigeel erősíők Az elekronikához álalában a ranszformáor -méree mia- nem illeszkedik, azonban mivel az indukció a frekvenciával arányos, különösen sméreű ranszformáorok szükségesek magasabb frekvenciákon. Előnyös, hogy az ávieli láncnak feszülsége kell ávinnie, így eljesímény ávielre nincs szükség. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 12
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék A leválaszás alapja az, hogy a jele megszaggava (szaggaós moduláorral) a kapo válakozó jele ranszformáoron ávihejük, majd a szekunder oldalon szinkron szaggaás alkalmazva (szaggaós demoduláorral) az eredei jel visszaállíhaó. A módszer háránya, hogy a szaggaás minavéelezésnek számí, így vonakozik rá a minavéelezési örvény, ami a jel felső haárfrekvenciájá korláozza. Ez azonban az ipari gyakorlaban nem okoz gondo, mivel a mérendő jelek álalában alacsony frekvenciásak. A kapcsolás alapelve: - menei erősíő moduláor demoduláor menei erősíő jel ápfeszülség - - AC/DC konverer DC/AC konverer oszcilláor külső oszc. Megjegyzés: szigeel szekunder-oldali ápelláás eseén a szekunder kör elekronikája nem közvelenül, hanem egy AC/DC konvereren kereszül kapja a ápelláás. A moduláor és a demoduláor ugyanarról a frekvenciáról működik és fázisban szinkronban szagga. A demoduláor jelé szűrőn engedik á, hogy az egyenáramú komponens szűrjék. Néhány ipikus jellemző: A szaggaás frekvenciája 25-250 khz közö van, amely s fizikai méreeke esz leheővé. A ranszformáoros leválaszással elérheő linearíás: >10-4 A szigeelési feszülség: 1.5-2.5 kv Alacsony drif: <10ppm/1000 óra A jeláviel sávszélessége: DC-100 khz. A primer oldali ápfeszülség alacsony erhelheőségű és alapveően a menei szenzor meghajására szolgál. 3.6.2.2. Opoelekronikai leválaszású szigeel erősíő Az opoelekronikai leválaszás elve: menei erősíő VFC opocsaoló FVC menei erősíő f o jel - V f f V ápfeszülség - - AC/DC konverer DC/AC konverer oszcilláor külső oszc. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 13
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Az opoelekronikai leválaszás egy feszülség/frekvencia áalakíás (VFC) aralmaz, majd az ily módon frekvencia modulál jele opikai leválaszással visszük á szekunder oldalra, ahol a visszaállíás frekvencia/feszülség áalakíó (FVC) végzi. Az áalakíás lassúbb, min az előbbi esen, mivel a konverzió öbb idő igényel, amely haárolja a menei jel frekvencia arományá. Úgyszinén haárol a frekvencia löke nagysága, így a menei jel dinamika arománya is. A ápfeszülsége i is szigeelen kell ávinni, illeve függelen forrásokból bizosíani. Az ilyen alakíású leválaszás linearíása rosszabb, min a ranszformáorosé, kb. <0.1.0.5%. Az eljárás, min elve alkalmazzák forgó alkarészekről örénő információ ávielre is. 3.6.3. Töléscsaol erősíők A öléscsaol erősíőke a piezoelekromos szenzorok jeleinek kondicionálására használjuk. A jelforrás sajáossága, hogy nagyon alacsony jelszine (ölés) szolgála és ennek megfelelően igen nagy menei ellenállású erősíő kell alkalmazni. A ölés önsülése, elszivárgása mia a mérésnek dinamikusnak kell lenni. Külön gondo okoz a csalakozó kál, mivel annak kapaciása valamin az erősíő menei kapaciása is folyásolja a mérés ponosságá. Az erősíővel szemn ámaszo köveelmények: nagy menei ellenállás rendkívül csi menei áram nagy sabiliás igen alacsony drifek alacsony menei kapaciás A feléeleknek speciálisan alakío MOSFET erősíők felelnek meg. Az elvi kapcsolás: C F u A köő kál és a menei kapaciás haása és kompenzálása: T C T C C C Az erősíő és a kál a krisály jelé leoszja a menere, ami hibá eredményez. Az ávieli függvény: C k = C C ( jω) Y ( jω) = = c T krisály kál erősíő 1 ω ( ω ( C C )) 2 C k T T Az összefüggés alapján megállapíhaó, hogy a hiba csökkenése érdekén olyan erősíő kell alkalmazni, ahol: és C k <<C T, ami az jeleni, hogy kapaciás-szegény kál és kapaciás-szegény meneű erősíő kell alkalmazni igen nagy menei ellenállás melle. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 14
4.0. OPTOELEKTONIKA Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Az opoelekronika jelenősége a szórakozaó és az ipari elekronikán lül egyarán gyorsan növekszik. Az iparban alkalmazo opoelekronikai szenzorok, mérőeszközök, az informaikában elerjed megjeleníők, adaárolók, adaávieli eszközök vagy videó képalkoók aránya az egyéb elekronikai eszközökhöz képes jelenősen növekszik, használva az ilyen eszközökn rejlő sességi, miniaürizálási és zavarvédeségi ulajdonságoka. Egyes cslések az prognoszizálák, hogy az opoelekronikai ipar a eljes elekronikai iparból legalább 20%-os rész fog elérni 2010-re, de a endenciákból láhaó, hogy ez is jelenősen meg fogja haladni. A fejeze célja a jelenősebb opoelekronikai eszközök és alkalmazásaik muaása. Klasszikus érelemn a ermikus elven működő deekoroka (pl. hőelem, hőellenállás, bimeál, gázérzékelők, sb.) illeve az ado hullámarományban sugárzó nem foon emisszión alapuló- egyéb eszközöke is ide kellene sorolni, mivel pl. a hő is elekromágneses sugárzás más spekrummal (az infravörös arományban jelenős a hősugárzás, így speciális I arományú érzékelők alkalmasak hőmérsékle-deekálásra). A ovábbiakban azonban az opoelekronikai eszközök ala elsősorban a foon emiálóka és deekoroka érjük bővíve a nem felélenül az opoelekronikához sorolhaó megjeleníőkkel (pl. CT. Plazma, LCD, sb.) 4.1. Opoelekronikai alapfogalmak 4.1.1. Fényechnikai alapfogalmak a) Fényáram (Φ) A fényáram az időegység ala F felüleen áhaladó fénykvanumok száma. Mérékegysége lumen [lm]. b) Fényforrás fényerőssége/fényessége (I) Egy fényforrás fényerősségé nem lehe a fényárammal jellemezni, mivel annak éréke függ a ávolságól (r) és a gömbfelüle nagyságáól (A). Ponszerű fényforrás eseén: fényforrás r A gömbfelüle A Ω =, mérékegysége seradián [sr] 2 r dφ I =, mérékegysége candela [cd] d Ω Definíció szerin 1 cd= 1/60 cm 2 felüleű, a plaina dermedési hőmérsékleével azonos hőmérsékleű fekeees sugárzása. c) Fénysűrűség (B) di B = da, mérékegysége silb [sb] d) A megvilágíás erőssége (E) dφ E =, mérékegysége lux [lx] da Az a, b és c paraméerek a sugárzóra (emiálóra) a d paraméer a vevőre (deekorra) jellemző érék. 4.1.2. Az opoelekronikai eszközök hullámarománya (opikai spekrum) A fény, min elekromágneses sugárzás az alábbi hullámhossz arományban érelmeze: 100 nm-380 nm ulraibolya (V) 380 nm-760 nm láhaó fény 760 nm-50 µm infravörös (I) aromány Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 15
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Az infravörös aromány széles, ezér az ovábbi arományokra bonják: 0.76-1 µm nagyon közeli I 1-3 µm közeli I 3-8 µm rövidhullámú I 8-14 µm hosszúhullámú I 14-50 µm ávoli I A legöbb opoelekronikai eszköz csak a nagyonközeli és a közeli I arományban érzékel, illeve sugároz, így ez a aromány emelen fonos az opoelekronikában. 4.1.3. Az emri szem érzékenysége A eljes láhaó fény arományban a szem relaív érzékenysége nem egyenlees. Láhaó az alábbi görbéből, hogy a szem kb. 540 nm hullámhossz környékén a legérzékenyebb, ami a sárga/zöld szín haárának felel meg. A vörös és kék színek felé haladva a szem érzékenysége jelenősen csökken. A szemnek ez a ulajdonsága leginkább a képalkoó szenzoroknál okoz nehézsége (pl. zöld-környé úlsúlyozás a jeln, lásd CCD.) 100% 1% relaív érzékenység kék zöld sárga vörös 0.43 0.54 0.7 λ [µm] 4.1.4. Hőmérsékle haása, öregedés Hőmérsékle haása: a csapódó foonok haására lyuk-elekron párok generálódnak. gyanez a folyama jászódik le a hőmérsékle haására is. A ké jelenség nehezen elválaszhaó egymásól, ráadásul pl. a deekorok a üríe réegüke használják deekálásra, ahol eleve kevés szabad öléshordozó van, és az is a hőmérsékle haására kelekeze- ezér az opoelekronikai eszközök erősen hőmérsékle-függőek (különösen igaz ez a deekorokra). Öregedés jelensége: az opoelekronikai eszközök jelenős részénél megfigyelheő a paraméerek válozása (romlása) az idővel. Ez a jelensége nevezzük öregedésnek (karakeriszika degradációnak). Az öregedés álalában nem jelen műsza problémá, mer az eszközök jelenős részénél a rendezések erkölcsi élearama lényegesen rövidebb, min a fizikai élearam, így az eszközöke nem használjuk fel az érzékelheő paraméerromlás (karakeriszika degradáció) haáráig. 4.2. Foovevők/deekorok A deekorok feladaa az opikai spekrum arományába eső fényjelek áalakíása villamos jellé. Többkülönböző elven működő szenzor is ide sorolhaó lenne, azonban a fejeze csak a legismerebb félvezeős foon-deekoroka aralmazza. Az áalakíás során zaj lép fel, amelynek forrása lehe: a) a foon zaj (elsősorban háérsugárzás mia) b) a deekor zaja (ermikus zaj, sörézaj, flicker zaj) c) a jelkondicionáló álal ermel zajok (ermikus zaj, sörézaj, flicker zaj). Deekálási küszöb: A deekorok a rendszern fellépő zajok felei jelaromány udják csak deekálni. A deekálási küszöb meghaározására szolgál a NEP (noise equivalen power, zajjal egyenérékű jeleljesímény), amely az a hasznos jele muaja, ami fele a deekálás már végrehajhaó. Ez a paraméer azonban nem aralmazza a sávszélesség (B) és a deekálási felüle (A d ) haásá, ezér csak azonos elven működő szenzorok jellemzésére alkalmas. A NEP-ből meghaározhaó a deekálási küszöb: 1 1 [ ] D = W NEP Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 16
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék A különböző fajájú szenzorok összehasonlíására a normalizál deekálási küszöbérék (D*) alkalmas, amely figyelem veszi a fen jelze paraméereke is. D* = D B [mhz 1/2 W -1 ] A d 100% relaív érzékenység A deekorok deekálási arománya: Deekálási küszöb A deekor a deekálási küszöbérék fele, egy meghaározo hullámhosszarományban képes a jele deekálni. λ min λ max λ [µm] Áramköri jelölése: 4.2.1. Fooellenállás (Ligh Dependen esisor, LD) A foo-kondukivíás már 1873-ban felfedezék, azaz, hogy egyes anyagok ellenállása a fény haására megválozik. A csapódó foonok haására lyuk-elekron párok kelekeznek. Az így kelekeze szabad öléshordozók növelik az anyag vezeőképességé, azaz csökkenik az ellenállásá. A vezeőképesség válozása függ az abszorpciós ényezőől (azaz a fogo foonok aránya a deekor felülee érő összes foonhoz viszonyíva) és a megvilágíás idejéől. A hőmérsékle haására is hasonló jelenség jászódik le, ezér az így kelekeze jel foonzaj okoz. A fooellenállások lehenek: Inrinsic (sajászennyezésű) Exrensic (szennyeze félvezeő alapanyag) Az exrensic fooellenállások jelenősége egyre növekszik. A különböző anyagok különböző hullámhosszúságú fényre érzékenyek, pl. ( ): Alapanyag elaív érzékenység maximuma Hullámhossz-aromány ZnS 0.32 µm V CdS 0.5 µm láhaófény GaAs 1.2 µm I PbS 2.3 µm I A fooellenállás ellenállása a megvilágíás függvényén nagy érékarományban válozik. A s megvilágíások arományában a fooellenállás különösen hőmérséklefüggő. Az ellenállás-válozás méréke ipikusan: 0 4 6 = 10... 10 1000 [Ω] o söé ellenállás A fooellenállás ranszfer karakeriszikája: 1000 A fooellenállás dinamikus viselkedése: E [lx] 1000 lx A fooellenállás nagy fel- és lefuási időállandókkal rendelkezik, különösen a világosról söére válásnál. Ennek az az oka, hogy a sajá lső melegedés korláozása érdekén csak nagyon csi áram engedheő meg a fooellenálláson. Ahogy a megvilágíás csökken, a felhalmozo szabad öléshordozóka kell üríeni, de az alacsony áram -amely a söére válás mia még ovább csökken (lásd ranszfer karakeriszika)- nagyon lassan udja csak üríeni azoka. Természeesen söéről világosra váláshoz is jelenős idő kell (bár sebb), mivel a öléshordozóka lére kell hozni. A ipikus időállandó ~ms nagyságrendű, de exrém eseekn a ~100 ms is leheséges. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 17
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék Deekálási küszöb: A fooellenállások deekálási küszöbéréke magas, mivel jelenős zaj kelekezik a nagy ellenállások mia (a ermikus zajfeszülség egyenesen arányos az ellenállás gyökével). A deekálhaó minimális jel D=10-9...10-12 W (éréke a frekvenciáól függ). A deekor gyakorlai képzése: A deekor működési elvéből kövekezik, hogy eszőleges nagyságú és alakú vezeő felüleek alakíhaók, így az eszköz felülei érzékelésre alkalmas. Felhasználási erüleek: Nagy érzékelési felüleeke, de dinamikus viselkedés nem igénylő alkalmazások, pl. fényerő, alkonykapcsolók, magasabb hőmérsékleek érzékelése, pl. összsugárzás-mérők, sb. Alkalmazási feléelek: A deekor árammal nem erhelheő, mivel a veszeségi eljesímény a lső hőmérséklee növeli, ami a deekálási küszöbö megemeli (ronja). Olyan ellenállás-válozáson alapuló mérő kapcsolásokban használhaó, amelyek nem árammal erhelik a szenzor, pl. feszülség híd-kapcsolások. 4.2.2. Foo-elekromos jelenségek a pn ámenen Modellezzük a ké réege a félvezeőknél megszoko módon: p öbbségi n öbbségi p sebbségi n sebbségi öléshordozók Szabad öléshordozók a üríe réegn alálhaók jelenős számban. Vizsgáljuk meg a üríe réegn a öléseloszlás, a lső érerő és a diffúziós poenciál (a folyonos vonal a fénnyel örénő gerjeszés elői, míg a szaggao vonal a gerjeszés uáni állapoo jelzi): A eső foon haására a üríe réegn (ámenei aromány, érölési aromány) lyuk-elekron párok generálódnak, amelyek a réeg haárához mozogva csökkenik a üríe réeg haárá. A kelekező lyukelekron párok mennyisége a eső foonok számáól függ (elenve a hőmérsékle haására kelekező lyuk-elekron párokól). Természeesen a öbbségi öléshordozóka aralmazó réegn is lejászódik hasonló jelenség, i azonban a kelekező szabad öléshordozók száma a öbbségi öléshordozókhoz képes elhanyagolhaóan csi, így deekálni sem lehe azoka. p réeg üríe réeg n réeg - ρ a szabad öléshordozók eloszlása x E lső érerő d lső (diffúziós) feszülség x x A eső foonok haására megválozo üríe réeg az alapállapoban menei kapcsain villamosan semleges (nem mérheő menei feszülség) alkarésznél a menei kapcsokra L = d2 - d1 feszülsége generál, anélkül, hogy külső segéd energiaforrás alkalmaznánk. d2 d1 x Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 18
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék A feni elven ké eszköz is készíenek: fooelem fényelem I foo A menei karakeriszika Si alapú szenzorok eseén: I z Az ábrán az I foo a fény haására kelekező öléshordozók árama, Lo az üresjárási feszülség, I z a zárlai áram. 4.2.2.1. Fooelem 0.5 V Lo L A menee üresjárásban használva a kelekező feszülség deekálhaó, így a eső fény mennyisége is meghaározhaó. Az üresjárási feszülség: kt I = foo Lo ln 1 q I o I o a sebbségi öléshordozók árama (maradék áram) 0 lx megvilágíás eseén. Ebn az üzemállapoban deekorkén használjuk az alkarész. Előnye: nem igényel külső ápelláás jó deekálhaóság (a rekombinációs zaj elmarad) Háránya: lassú működés 1-100 µs (nincs áram, így a öléshordozók üríése lassú, lásd fooellenállás) öregedésre hajlamos Gyakran alkalmazzák seljesímény-igényű fogyaszók energia elláására pl. kalkuláorok, LCD digiális órák, sb. ahol mw vagy µw eljesímény igény lép fel. 4.2.2.2. Fényelem Az eszköz közel rövidzárásban működeve energia-ermelésre lehe felhasználni (napelem, szolárcella). Ilyenkor a deekor speciális felülei alakíású, a minél nagyobb foon abszorpció mia. Az egyes cellák soros-párhuzamos kapcsolásával lehe az áramo, illeve a feszülsége növelni. P max P Szokásos anyagok és az elér gyakorlai haásfok ( ): Si kb. 16%, GaAs kb. 21%, CdTe kb. 6% elér haásfok. 4.2.3. Foodióda 0.55-0.6 V L A dióda jelölése: I F A fooelemeknél a deekáló felüle a üríe réeg. Ennek nagysága növelheő, ha a pn ámenere záró irányú feszülsége kapcsolunk. A zár áramkörn kelekező fooáram deekálhaó. A relaív érzékenység maximuma Si foodióda eseén kb. 0.85 µm hullámhossznál van. A ipikus felfuási/lefuási idő < 1 µs. A foodióda karakeriszikája: Az ábra aralmazza a pn ámene külső E o E 1 E 2 foodióda üzem I I z1 I z2 F L2 L1 fooelem üzem L erhelés Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 19
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék feszülsége nem igénylő üzemállapoá is (fooelem üzemmód), ahol a deekor ese L1 és L2 valamin a fényelem üzemállapo I Z1 és I Z2 kerül jelölésre ké különböző gerjeszés valamin a söé állapo eseén (E o =0 lx, E 1 <E 2 eseén). A 0 lx-hoz arozó karakeriszika (E o ) gyakorlailag megegyezik a normál dióda karakeriszikájával, figyelem véve, hogy a foodióda speciális alakíású és szennyezeségű. Az ábrában felüneük egy gyakorlai L erhelés eseére a valóságos lezárás eseén fellépő feszülség és áram viszonyoka is. A fooáram képlee megegyezik a fooelem eseén felírakkal (a záróirányú feszülség a deekálási felülee növeli, de az áramra közvelenül nem ha.) Alkalmazás deekálásra: A foodióda eseén a fooáramo deekáljuk, így egy áramvezérel feszülségerősíés kell felépíeni. A művelei erősíő u s feszülsége közel nulla, ebből kövekezik, hogy a dióda i z közel rövidzárásban üzemel. A művelei erősíő nagyon csi menei árama mia a eljes áram az ellenállás felé folyik. A menei feszülség: u = i ( E) foo A foodiódák előnyei: gyors, s jelerjedési idő jó deekálhaóság Hárányai: alacsony jele szolgála, amelye erősíeni kell a pn ámene miai zaj a lezár pn ámene erős hőmérséklefüggése Felhasználás erüle: álalános célú deekor, elsősorban gyors jelek deekálására. 4.2.3.1. PIN dióda A PIN dióda a normál pn ámenees diódákól annyiban különbözik, hogy a ké réeg közé inegrál sajávezeési (inrinsic) réege van. Az elvi felépíés: Az inrinsic réeg megnöveli a üríe réeg szélességé. A üríe réegn alálhaó kevés szabad öléshordozó fel ud gyorsulni a maximális sességre anélkül, hogy üközne (nagy a öléshordozók szabad úhossza). A nagy öléshordozó sesség mia az eszköz gyors lesz (a jelerjedési idő ns nagyságrendű). A sessége elsősorban a nagy üríe réeg mia alakuló feszülséggel vezérelheő kapaciás korláozza, ezér a ké folyama közö kell opimálisan arani a viszony. i SiO 2 szigeelés p n - n A PIN diódá elsősorban gyors, impulzusszerű jelek deekálására használjuk, pl. lézer dióda jelének deekálására. Az elérheő jelerjedési idő 10-50 ps. A PIN dióda készülhe Ge alapanyagra is nagyfrekvenciás alkalmazások eseén. 4.2.3.3. Lavina dióda (APD, Avalanche Phoo Diode) Az eddigi deekorok a foonok számával arányos áramo bocsáoak, ami csi, ezér ovábbi erősíés igényel. A lavina diódák az első erősíő ípusú alkarészek, amelyek árama jelenősen nagyobb, min az a eső foonok számából kövekezne. Az alapelv hasonló, min a PIN diódáknál, azaz a üríe réeg megnövelése a sességnövelés céljából, azonban ezeknél az eszközöknél ez a rákapcsol záró irányú feszülség megnövelésével érik el nem pedig ikao inrinsic réeggel. A nagy záró irányú feszülség haására megnövekede üríe réegn a öléshordozók nemcsak felgyorsulnak és nagy mozgási energiára esznek szer, hanem a köö elekronoknak is á udják adni energiájuka és így ovábbi elekronoka szakíanak (másodlagos és ovábbi elekronok) és növelik a szabad öléshordozók számá. A sokszorozásnak az egyre növekvő számú öléshordozó szab haár, mivel ekkor növekszik az üközés valószínűsége és csökken a szabad úhossz. A működési módból kövekezik, hogy ez az eszköz elsősorban a Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 20
Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék fény jelenléé és nem a megvilágíás nagyságá deekálja. A nagy öléshordozó sesség mia az eszköz gyors (jelerjedési idő ns-ps nagyságrendű). A sokszorozási ényező: I M = foo I ( ) o A sokszorozási ényező feszülség-függése: 1000 1 M Az alkarész erősen hőmérséklefüggő, mivel a jelenség a ermikus gerjeszés mia öléshordozó párokra is ugyanígy zajlik le. A leörési feszülség válozása kb. 200-300 mv/c. A hőkompenzáláshoz egy az APD-vel egy okban levő referencia diódá használnak, amelynek hőfokfüggése közel azonos. Megoldás jelen a szabályozo hőmérsékleű okban elhelyeze APD is. [V] 1000 Előny: gyors, az elérheő jelerjedési idő 20-50 ps erősíő jellegű, már nagyon gyenge jele is ud deekálni Hárány: nagy zaj a lavina-haás mia erősen hőmérséklefüggő működés A pn, pin és a APD közel azonos sessége elérő eszközök, az alapveő különbség a szükséges fényinenzíásban van. Az APD nagyon gyenge jeleke is ud deekálni (akár egy foon is, ekkor SPAD Single Phoon Avalanche Diode-nak nevezik), azonban analóg lineáris jelávielre nem alkalmas, mivel a meneen a jel nemcsak a eső foonokkal arányos. Az APD felhasználási erülee nagyon hasonló a foosokszorozó csövekhez. A különösen vékony impulzusok arományában (<10 ns, lézer impulzus) azonban a foosokszorozók még jobb deekálási ulajdonsággal rendelkeznek. 4.2.4. Fooranziszor Áramköri jelölés: Helyeesíő kapcsolás: A fooranziszor bár ugyanazoka a réegeke aralmazza- különbözik a hagyományos ranziszoról a deekálásra használ C-B ámene képzésén. Deekálásra a lezár ámene alkalmas, ami ranziszornál normál üzemn a C-B ámenenél áll fenn. Az E-B ámene nyio állapora van előfeszíve normál üzemn, ami a nagyszámú öléshordozó mia nem alkalmas a hozzá képes jelenősen sebb számban foonok álal generál ölések deekálására. A kollekor réeg nagy felüleű a jó deekálhaóság érdekén. A ranziszor menei karakeriszikája: A foon haására az ámenen kelekező öléshordozók a bázisba juva ugyanúgy vezérlik a ranziszor, min az a normál ranziszornál külső forrásból származó bázis árammal örénik. A lezár ámeneen azonban nemcsak a foongerjeszee áram (i f ) folyik, hanem a sebbségi öléshordozók árama (i o ) is. Ez az áramo söéáramnak nevezzük, mivel E=0 lx megvilágíás eseén is folyik. A ké áram összege a ényleges bázisáram. I C E 1 >E 2 >E 3 >E 4 >E 5 E 1 E 2 E 3 E 4 E 5 CE Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 21
c = h 21 e ( i i ) i f o Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék A maximális relaív érzékenység Si deekor eseén kb. 0.87 µm hullámhossznál van (nagyon közeli I aromány). Az elérheő áramerősíési ényező h 21e =100 800. A fooranziszor leheséges üzemmódjai: a) Fooranziszor vezee bázis nélkül Elvi kapcsolás: Ez a leggyakoribb alkalmazási mód. Ebn az üzemmódban a fény megléé kell deekálni, nem pedig annak abszolú éréké. A ranziszor külső ápforrásból előfeszíjük, de nem állíjuk munkaponba, így lineáris erősíésre nem alkalmas. Fő felhasználási erülee: opocsaolók, közelíéskapcsolók, vonalkód leolvasók, sb. L u Megjegyzés: a fooranziszor alkalmankén ké vezeéses eszközkén gyárják, azaz közvelenül ebn az üzemmódban használhaók csak. Ez sebb méreű eszközök gyárásá eszi leheővé. Különösen ömb foglal deekoroknál gyakori megoldás a ké vezeés. b) Fooranziszor vezee bázissal Egy leheséges elvi kapcsolás kéfokozaú közvelencsaol erősíővel: u A ranziszor külső ápforrásból az analóg erősíőkhöz hasonlóanelőfeszíjük (munkaponba állíjuk), és a szokásos munkaponállíó kapcsolásokkal munkaponba állíjuk, így lineáris erősíésre korláozoan alkalmas. A fooranziszor lineariása ovábbra sem lesz a eljes jelarományban megfelelő, ezér az információ nem közvelenül, hanem modulálan visszük á. A moduláció lehe bármely alapsávi AM (ampliúdó -), FM (fázis-) vagy PM (impulzus- ) moduláció. Fő felhasználási erülee: alapsávi jeláviel üvegszálas kálen, jeláviel forgó deekorokon, sb. c) Foodióda üzemmód A ranziszor külső ápforrásból előfeszíjük, de csak a C-B ámenee, min diódá használjuk fel. A foodióda sessége lényegesen nagyobb, min a fooranziszoré. Egy foodióda (vagy ranziszor dióda üzemmódban) és egy Shoky ranziszor együesen sokkal gyorsabb eszköz eredményez, min egy fooranziszor. Felhasználási leheőségek ugyanazok, min a fooranziszor vezee bázis nélkül. d) Fooelem üzemmód Ez egy elvi leheőség, mivel a deekálási felüle sokkal sebb, min egy fooelemnél, így a haásfoka rosszabb. A C-B ámenee felhasználva fény haására mérheő menei feszülség alakul, amely (nemlineárisan) arányos a eső foonok számával. Áramköri jelölés: 4.2.4.1. Foo-Darlingon A foo-darlingon kapcsolásnak ugyanolyan ulajdonságai vannak, min a Darlingon kapcsolásnak, figyelem véve az a különbsége, ami a ranziszor és a fooranziszor működése közö van. Alkalmazása a nagy áramerősíési ényező mia- elsősorban s jelek erősíésére, illeve kapcsolóüzemn. Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 22
Ekvivalens helyeesíő kapcsolás: Miskolci Egyeem Elekroechnikai-Elekronikai Tanszék 4.2.5. Foo-FET Működési elvé enve egy foodióda és egy MOSFET kombinációjának enheő, ahol a foodióda álal generál öléshordozók épíik fel a növekményes MOSFET csaornájá. A MOSFET vezérlő elekródájával előfeszíve elérheő, hogy söén éppen ne folyjon áram a drain és a source közö és így az eszköz már rendkívül csi megvilágíások eseén is deekálhaó jele adjon. fémes hozzávezeés S G opikailag álászó, fémesen vezeő réeg D SiO 2 szigeelés n n p üríe réeg Előnyök: alacsony zaj (nincs sörézaj) nagyon jó deekálhaóság, D* 3.10 8 mhz 1/2 W -1 (λ=900 nm, I aromány) nagyfokú lineariás, különösen alacsony megvilágíások arományában Az erősíés növelheő, ez azonban a haárfrekvencia csökkenésével jár. A foo-mosfet kaegóriába öbb eszköz is arozik, így a CCD, CID, sb. 4.2.5.1. Képérzékelők szubszrá csaorna alakulása A modern képleképező és videó echnika alapveő eszköze a fényérzékelő egység. A szilárdes képérzékelők közö ké fő csoporo különbözeünk meg: CCD és CMOS. Leggyakrabban a CCD- alkalmazzák, de egyre jobban erjed a CMOS (Complemeary Meal Oxide Semiconducor) alkalmazása is. A CCD és a CMOS közöi legfőbb különbség a gyárási eljárásból származik. Míg a CCD-k gyárása bonyolulabb és kölségesebb, addig a CMOS áramkörök előállíása egyszerűbb és olcsóbb. A CMOS érzékelőkn minden képponhoz elhelyezheő a foon(elekron)-feszülég áalakíó, ennek köszönheően sor- és oszlopcímzéssel rendelkezik. Vagyis az érzékelő minden egyes képponja külön címezheő. Ennek felhasználásával sebb felbonások eseén nagyobb sességű sorozafényképezésre van leheőség. A MOS gyárásechnológia előnyei használva (kever analóg és digiális áramkörök épíése egy lapkán) a CMOS ovábbi előnye még, hogy a lapkán lül az időzíéseke megvalósíó áramkörökön kívül még az A/D áalakíás is elvégezheő. A CCD eseén viszon az elemi érzékelők érékei sorosan kell olvasni, így egy pixel megcímzésé csak bonyolulan oldhaó meg (lásd opikai félvezeős árolók) az érzékelőn lül. Az analóg - digiális áalakíó és az összes vezérlőáramkör külsőleg, az érzékelőn kívül kell elhelyezni. A soros olvasás az jeleni, hogy csak a sor végén lehe érzékelni a képponok ölésé. Ahhoz, hogy az egész sor éréké megkapjuk, az egyes öléseke el kell juani a sor végére. A CCD-k nagy előnye, hogy nagyobb érzékenységűek, hárány viszon a jelenős fogyaszás. Egy CCD érzékelő 5-6 W fogyaszású is lehe, míg CMOS vieln a 0,5 W is elegendő lehe. Az alcsonyabb fogyaszás sebb melegedés és így alacsonyabb zaj eredményezhe. A CMOS háránya az egyérelműen rosszabb jelerjedési sesség, bár az egy lapkán alakío (és így sebb jelerjedési idővel vezérelheő) külső áramkörök javíanak a eljes áalakíó sességén. A másik jelenős probléma, hogy a olvasás ideje ala is megvilágíás érhei az érzékelő, ami a képe ronja, ezér a kép élességéhez gyors és haékony képzár (blende) kell. Ez lehe mechanikus pl. fényképezőgépekn, de Dr. Kovács Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BSc) nappali agozaos hallgaók számára 23