Laveffekt CMOS pulsdetektor - FTP archive at Ifi/UiO
Laveffekt CMOS pulsdetektor - FTP archive at Ifi/UiO
Laveffekt CMOS pulsdetektor - FTP archive at Ifi/UiO
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
\Formidlingavforskningerbasertp<strong>at</strong>opostul<strong>at</strong>er.Fordetfrste<strong>at</strong>forskerneharnoeasi.Fordetandre<strong>at</strong>mottakerneharnoedenskeravite.Beggepostul<strong>at</strong>ererselvsagtfeil."GudmundHernes[5]
ForordDennerapportenerdenskriftligedelenavmitthovedfagsstudiumgjennomfrtvedInstituttforInform<strong>at</strong>ikk,UniversitetetiOslo.Oppgavenoppstodsomresult<strong>at</strong>avetsamarbeidsprosjektmellomTandbergD<strong>at</strong>a,ogminveilederTorSverreLande.JegviltakkeTorSverreLandeogYngvarBergforveiledningogintroduksjontilanalogeintegrertekretser,enformegnyogspennendegreninnenforvartfagfeltet.Jegvilogs<strong>at</strong>akkeTandbergD<strong>at</strong>aformulighetentilavremedpaprosjektet.TakktilJohnArneNesheim,forgivendediskusjonerrundtdefagligeogikkefagligesidenevedrapporten,ogsistmenikkeminst;takktilkorrekturleserene.MortenSalomonsenBlindern,15.februar1994
InnholdFigurervii1Innledning 1.1Inndelingenavoppgaven : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12Bakgrunn 2.1Innledning: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2.2Adaptivsensorforpulsetlys: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2.2.1Enmuligapplikasjon;lagringsenhetformagnetband: : : : : : : : : : : : 32.3Prinsippetforsensoren: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 42.3.1Valgavteknologi : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53Uliketyperfotodetektorer 3.1Innledning: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3.1.1Fotoelektriskeffekt : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 73.1.2Mrkestrm: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3.2Fotoreseptoren: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 83.2.1Strmkildemedulinerkompresjon : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93.2.2Bivirkningeravenulinersignalkompresjon: : : : : : : : : : : : : : : : 103.3Fotodioder: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 123.3.1Brnndioden: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 123.3.2Burrieddiode : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 133.4Fototransistorene: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 143.4.1Oppbyggningenavfototransistorene : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 143.4.2Responsenforfototransistorene: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 153.5Oppsummering : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 164Filtreneisensoren 194.1Innledning: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 194.2Filtrei<strong>CMOS</strong>: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 194.2.1OTA-Cltre: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 204.3Fasekorrigerendelteroglavpasslter: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 214.3.1Allpasslteret : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 214.3.2Etaltern<strong>at</strong>ivtilallpasslteret : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 224.3.3Faselteretisilisium: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 234.3.4Malingeravfasedreiningogdempningifaselteret: : : : : : : : : : : : : 244.3.5Fasesplitteren : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 254.3.6Lavpasslteret: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27v
4.4 Forsterkereneiltrene: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 284.4.1Transkonduktansforsterkeren : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 284.4.2Transkonduktansen : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 294.4.3EndringeravDC-niva: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 304.5Oppsummering : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 325Sensoren 355.1Innledning: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 355.2Kompar<strong>at</strong>ormedhysterese: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 355.2.1Kompar<strong>at</strong>oren: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 355.2.2Regul<strong>at</strong>oren: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 415.3Sensorensoppbyggning: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 415.3.1Styfraskrivebordslampe: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 435.3.2Blandingavsagtannogsignalpulser: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 445.4Oppsummering : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 446Diff1kretsensomenaltern<strong>at</strong>ivsensor 476.1Innledning: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 476.2Diff1kretsen: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 476.2.1SensorenmedDiff1kretsen: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 486.3Behovetforautlignefasene: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 486.4Kunnevivalgtenannenlsning?: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 497Konklusjon 517.1Oppsummering : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 517.2Konklusjon: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52Tillegg 53AMOSTransistorenisvakinversjon 53A.1EnmodellforMOS-FETtransistorenisvakinversjon: : : : : : : : : : : : : : : : 53A.1.1Kanalforkortning: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54A.1.2Substr<strong>at</strong>effekt: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55A.1.3Produksjonsavhengigevariasjoner: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55Referanser 57vi
viii6.1 Diff1kretsen: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 486.2ResponsenforDiff1kretsenved60kHz: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 496.3Fasedreiningforetandreordenslavpasslterved1kHz : : : : : : : : : : : : : : : 50A.1I ds forenN{transistorisvakinversjon: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54
2 Kapittel1Kapittel4Herbeskrivesltrenesomskalbrukesisensoren,hvilkekravltrenemaoppfylleoghvordandetharpavirketvalgetavltre.Malingeravltrenesresponsogegenskaperpresenteresforabelyseltrenessterkeogsvakesider.Kapittel5Idettekapitteletintroduseresdensistebyggestenenisensoren:enkompar<strong>at</strong>ormedhysterese.Sistedelavkapitteletervietsensorenogtesteravdenneforabelysehvordandenklarersegmeduliketypersty.Kapittel6Dettekapitteletinneholderenbeskrivelseavenaltern<strong>at</strong>ivlsning,somikkeersaavhengigavlikfasedreiningforulikesignalveiersomsensorenbeskrevettidligereirapporten.Lsningeneblirsammenlignetforapekepafordelerogulemperdehariforholdtilhverandre.Kapittel7Dettekapitteletinneholderenoppsummeringavarbeidetmedsensorenogenkonklusjon.
Kapittel2Bakgrunn2.1 InnledningEtavproblemenevedkonstruksjonavsensorsystemerforpulsetellerst<strong>at</strong>isklyserknyttettilkomponenteneselektriskeogoptiskekarakteristikker.Spredningenilysutbyttefraforeksempellysdidoder(LED),erstoroglysutbyttetpavirkesogsaavtemper<strong>at</strong>urvariasjoner.Pamottakersidenerdetentilsvarendespredningsomgarpafotodetektorensevnetilakonverterelystilelektrisksignal.Forskyvningeravsenderogmottakeriforholdtilidealposisjonene,ogbrytningellerreeksjonsomendrerlysetsbane,eretannetproblem.Lysfraomgivelsenekanogsapavirkesensorensfunksjon.Entenved<strong>at</strong>operasjonspunktetendres,ellerved<strong>at</strong>bakgrunnslysetblirforsterktiforholdtilsignallyset.Summenavvariasjonenegjrdetndvendigajustereforsterkningellertersklerforafasystemetsresponsinnenforgittespesikasjoner.Justeringenforetasientestsituasjonhvordetkanvreandrestyforholdennvednormaldrift.Detkanfretil<strong>at</strong>systemetikkeoppfrersegsomforventet.Vartmalerakonstruereenmottakersomikkeerflsomforvariasjonerisignalstyrkenellerlyssomblandersegmedsignalet.Kretsenskalproduseresienstandard<strong>CMOS</strong>prosessoginneholdeallendvendigekomponenter.2.2 AdaptivsensorforpulsetlysMedenadaptivsensormenerjegenmottakersomautom<strong>at</strong>isktilpassertersklerogreferansertilenvarierendemengdebakgrunns-ogsignallysogikkeendrerfunksjonpagrunnavlavfrekventevariasjoneribakgrunnslyset.PerOlavPahrvedTandbergD<strong>at</strong>aharp<strong>at</strong>entertensensoravdennetypen[11].Prinsippetfradennep<strong>at</strong>entensomdannergrunnlagetfordekretsenejeghararbeidetmed.2.2.1 Enmuligapplikasjon;lagringsenhetformagnetbandForTandbergD<strong>at</strong>aermotivetbakutviklingenavensensoravdennetypenbehovetforafornyedeleravderesd<strong>at</strong>alagringsenheterforQIC-magnetband(QuarterInchCassette).Istandardenfordennetypenmagnetbanderdetvalgtetoptisksystemforadetekterebegynnelsenogsluttenav3
4 Kapittel2bandet.Endeneermarkertmedhversinkombinasjonavhull.Pulsetlyssendesmotbandetfradenenesidenogtilenmottakersomerplassertpamots<strong>at</strong>tside,ogmottakerenskalbaregiresponsnarhullpasserer.Figur2.1viserhvordanhulleneerplassert.BOT LP EWBOTEOTFigur2.1:5.25"QIC-bandFigurenviserkombinasjonenavhullsommarkererbegynnelseogsluttavet5.25"bandavQIC-type.Begynnelsenavbandetermarkertmedtohull(BOTBeginingOfTape).Noelengerutpabandeterdetetnytthullforamarkerehvord<strong>at</strong>asporenebegynner(LPLoadPoint).Motsluttenavbandetkommerfrstethullivrehalvdelsomindikerer<strong>at</strong>bandeteriferdmed<strong>at</strong>aslutt(EWEarlyWarning),ogsluttenavbandetermarkertmedetthull(EOTEndOfTape).HvilkekravstillerdenneapplikasjonentilsensorenDetsensorsystemetsomtilnaharvrtbruktilagringsenhetenerbyggetmeddiskretekomponenter.Lysutbyttefralysdioderharenspredningtypiskstrreennenfaktor4:1iflgemalingerfraTandbergD<strong>at</strong>a[11].Maltvedmottakerenvildettegiensterkvariasjonisignalstyrken,ogforafasignaletinnenforsensorensoperasjonsomrademaforsterkningenpamottakersidenjusteres.Selvmedjusteringenerdetikkesikkertsensorenvilfungerefeilfritt.Lysfraomgivelsene,underdriftellervedjustering,kanfretil<strong>at</strong>mottakerenerfeilinnstiltiforholdtiltotalbelysningenogikkefungerersomdenskal.Vedaeliminerejusteringenkvittermansegmedenmuligfeilkildeogredusererproduksjonskostnadene.Deterikkebarebakgrunnslysogspredningisignalstyrkenmanm<strong>at</strong>ahensyntil.Sensorenmaogsahaenterskelforamaskerebortstyvedsignalfrekvensen.Iflgestandardenkaninntil2%signallysslippeigjennombandet,oghvisdetektorenharforhyflsomhetkandetoppstafeildeteksjoner.Dettekanogsabedresvedasikreetgodtsignal/styforholdogdetkanreguleresmedfotodetektorensstrrelse.Avgur2.1servi<strong>at</strong>deterhullivreognedrehalvdelavbandet.Lagringsenheteneravhengigavtosensorersomskalstalikevedsidenavhverandrepaetbegrensetomrade;sensorenmavreliten.Signal/styforholdeteravhengigav<strong>at</strong>fotodetektorenliggerinnenforomradetdersignaletpamottakersidenersterkest.Iutgangspunktetbetyrdet<strong>at</strong>detfotoflsommearealetisensorenmavremindreennhulleneibandet .Mekaniskevariasjonersomfeilispeiletsvinkelellerposisjon1ogvertikalbevegelseavbandetredusererdetteomradet.2.3 PrinsippetforsensorenEnforutsetningfor<strong>at</strong>sensorenskalkunnehandterevarierendemengderbakgrunnslysogspredningisignallysetsstyrkeeretstortdynamiskomrade.Kretsenmaogsahaendynamiskreferanseavle-1Diameterenihulleneer0.7mm.
6 Kapittel2Paetbegrensetarealerdetviktig<strong>at</strong>ltreneikketarforstorplass.Digitaleltregirgodnyaktighetoghystabilitet,menkreverstortareal.Analogeltrei<strong>CMOS</strong>ergenereltsettmindre,menhardarligerenyaktighetogstabilitetenndigitaleltre.Passivekomponenter,somkondens<strong>at</strong>orer,blirstorepagrunnavlavknekkfrekvens,under1kHz,dersomanalogeltreisterkinversjonbrukes.Reduseresstrmmenetilsvakellermoder<strong>at</strong>inversjonkanmanoppnasammeknekkfrekvensmedmindrekomponenter.Effektforbruketvilogsareduseres.Analog<strong>CMOS</strong>isvakinversjonersvrtflsomforparasittiskekapasitivelasterpagrunnavstrmmerparundt100nAogmindre.Kretserbasertpadenneteknikkenharderforenbegrensetbandbredde,mendetersomnevntikkekritiskforsensoren.MOSFETtransistorensegenskaperisvakinversjonerbeskrevetitilleggApaside53.
Kapittel3UliketyperfotodetektorerArealetforsensorenerbegrensetogmedenlavknekkfrekvensilavpasslteretvilenrel<strong>at</strong>ivtstordelavsensorensarealgamedtilkondens<strong>at</strong>orer.Isensorentrengermanderforenfotodetektorsomgiretgodtutbyttemedhensynpasignaliforholdtilareal.Enfotodiodehariutgangspunktetbedrefrekvensresponsennenfototransistormedsammeareal,mentransistorenegirmerstrmforetgittbelysningsnivapagrunnavstrmforsterkningen.Ien<strong>CMOS</strong>prosessharmanikkefullfrihettilavelgedopingenavhalvlederenellerandreparameteresompavirkerfotodetektorensegenskaper.Idettekapitteletskalvisenrmerepaulikefotoreseptorerlagetmedenstandard<strong>CMOS</strong>prosess.3.1 InnledningIenstandard<strong>CMOS</strong>prosesskanmanlagefototransistorerogfotodiodervedakombinereP-ogNdiffusjoner.Diffusjonenesdybdeogdopekonsentrasjonerergittavprosessen,ogdopingenavfotodetektorensregionerpavirkertidsresponsenogfotostrmmen.Genereltsettharfototransistorenenhyerefotostrmperarealennfotodioden,mensfotodiodenharenbedretidsresponsforsammeareal.3.1.1 FotoelektriskeffektIfotodetektoreneerdetvanligabrukeneg<strong>at</strong>ivtforspentePNoverganger.Narenneg<strong>at</strong>ivtforspentPNovergangikkebelysesvildetkunyteenlekkasjestrmiovergangengittavblantannetdopingenavP-ogNregioneneogtemper<strong>at</strong>urenikrystallen.NarPNovergangenbelyseserstrmmeniovergangenproporsjonalmedantalletladningersomgenereresnrovergangenogiovergangen.Dennestrmmenkallesfotostrmmen,ogkanvreereordenstrreennlekkasjestrmmen.HvormangeladningersomgenerereseravhengigavlysetsblgelengdeoghvordyptnedeikrystallenPNovergangenligger.Fotonermedenergimindreennbandgapetabsorberesilitengradikrystallenogbidrarikketiladanneelektron-hullpar,EHP.Absorpsjonavfotonermedenergistrreennbandgapeternestenfullstendig.Sammenhengenmellomfotonenesenergiogblgelengdeergittved:E = hc7
8 Kapittel3der erblgelengden,h Plankskonstantogc erlysetshastighet.Bandgapet(E G ) forsilisiumerca1.11eV,ogdetgirenblgelengdepa 1100nm.Lysmedkortereblgelengdeenndetteabsorberesikrystallen,ogbestfotoelektriskeffektharmanforlysmedblgelengdeiunderkantav900nm.Langblgetlysabsorberesdyptnedeikrystallen,menskortblgetlys,somforeksempelbl<strong>at</strong>t,absorberesnrover<strong>at</strong>enogbidrarilitengradtiladannefrieladningsbrereihalvlederen.Fotonenergientilfresstortsettkrystallensomtermiskenergi[13].Sidenrdtlystrengerdypereinnikrystallenerdetenfordelabrukeendypdiffusjonifotodetektoren.SammenhengenmellomparametreneforPogNm<strong>at</strong>erialetogoptiskgenerertstrmI op eriflgeStreetman[13]gittsom:I op = qAg op (L p + L n + W )derA erarealetforovergangen,g op parameterforr<strong>at</strong>enforoptiskgenereringavEHP,L p ogL ndiffusjonslengdenforhullogelektronerogW erbreddenpadeplesjonssoneniovergangen.Diffusjonslengdenergjennomsnittligdistanseladningenebevegersegfrderekombinerer,ogdenreduseresmedkendedoping.Omradermedsvakdopingerderforaforetrekkenarviskalsettesammenfotodetektorer.BadefordibreddenpadeplesjonssonenkermedsvakeredopingavPogNregionene,ogfordidiffusjonslengdeneL p ogL n kermedsvakeredopingavhalvlederen.Lettdopingerogsaenfordelmedtankepakapasitanseniovergangen.SermanpaovergangenmellomPogNregionenesomskarp,kankapasitansenisperresjiktetbetraktessomenpl<strong>at</strong>ekondens<strong>at</strong>or.Kapasitansenkermedarealetogreduseresmedkendedeplesjonssone.UtrykketforkapasitansenerC = A=W derA erarealet, permeabilitetenforsilisiumogW breddenpasperresjiktet.Enbrnnerletteredopetogharstrrevolumennforeksempelendiffusjondirekteisubstr<strong>at</strong>et,ogvilantageligvisgienbedrefotoelektriskeffektperarealenhet.OgforlangblgetlyserdetenfordelmedenPNovergangsomliggerdyptikrystallen.Flsomhetenfordegrunnediffusjoneneermindre,ogsamtidigerrekombinasjonsr<strong>at</strong>ennrover<strong>at</strong>enhyereenninneikrystallen.Enhyrekombinasjonsr<strong>at</strong>enrover<strong>at</strong>enfrertiltapavladningogengrunndiffusjonvilgimindrefotostrmennendyp.3.1.2 MrkestrmMrkestrmmenforfotodiodeneerliklekkasjestrmmenmotsubstr<strong>at</strong>et.Feltetiovergangenvilfaladningersomfrigjresisperresjiktetellerkommerinnisperresjiktet,tilabevegesegmotdiodenssperrerettning.Utenlysgenereresladningenetermisk.Ladningenegenerertiovergangenbidrarmesttillekkasjen,menladningerinnenforendiffusjonslengdefraovergangenvilogsautgjreendelavreversstrmmen.kerdenneg<strong>at</strong>iveforspenningenvokserdeplesjonssonenogmanfaretstrrevolumsomkanbidramedladningertilreversstrmmen.Stigertemper<strong>at</strong>urenvilereladningergenereresogmrkestrmmenke.Mrkestrmmenienfototransistorvilvrestrreennienfotodiodemedsammearealpagrunnavstrmforsterkningen.3.2 FotoreseptorenBetegnelsenfotoreseptorbrukerjegomkombinasjonenavenfotodetektorogenstrmkilde,hvorfotodetektorenkanvreenfotodiodeellerenfototransistor.Fotoreseptorenomformerdetinnfallendelysettilenspenningsomenfunksjonavbelysningensintensitet.Strmkildensoppgaveerakonverterefotostrmmentilenspenning,ogkonverteringenkangietlinertellerulinertforholdmellomstrmogspenning.Hvilkenlsningmanvelgerkanforeksempelvreavhengigav
Uliketyperfotodetektorer 9lysforholdenekretsenskaloperereunder.Vedstorevariasjonerilysetsintensitetkanenulinerkonverteringkereseptorensdynamiskeomrade.Enlinersammenhengmellomstrmogspenninggiretlitedynamiskomrade,menamplitudenforsignaletendresikkemedvarierendetotalbelysning.Eteksempelpaenkildesomgirenlinerkonverteringerenpassivmotstand.Detteerengodlsningnarintensitetenforsignallysetogbakgrunnslyseterkjentogsignaletfrafotoreseptorenskalhaenstabilamplitude.Problemetmedenlinerkonverteringer<strong>at</strong>denertilpassetetbestemtbelysningsniva.Enkningibelysningenutoverdeant<strong>at</strong>tegrensenekanfretil<strong>at</strong>reseptorengarimetning.Trengermanetstrredynamiskomrade,kanmanvelgeenkildesomharenlogaritmiskellerkvadr<strong>at</strong>rotkomprimering.Detgjrfotoreseptorenistandtilahandtereenstrrevariasjonibelysningenuten<strong>at</strong>kretsengarimetning.Ulempenmeddennelsningener<strong>at</strong>signaletkomprimeresog<strong>at</strong>gradenavkompresjoneravhengigavtotalbelysningen.Kretsensomskalbehandlesignaletfrafotoreseptorenmaderforvreistandtilahandtereenvarierendesignalamplitude.Forvartvedkommendeerdetn<strong>at</strong>urligavelgeenkildesomgirenlogaritmiskellerkvadr<strong>at</strong>iskkompresjonavsignalet.Denviktigstearsakentildeter<strong>at</strong>sensorenskalkunnehandtereenstorvariasjonibakgrunnslyset.Enannenarsaker<strong>at</strong>spredningenisignallysetsintensitetsomfunksjonavvariasjonerilyskildenskarakteristikkerogmekaniskevariasjonernevntiforrigekapittelvilgienvarierendeintensitetforsignallysetsettfrasensoren.3.2.1 StrmkildemedulinerkompresjonMOS-FETtransistorenhareneksponensiellsammenhengmellomdrain-sourcestrmmenogspenningenp<strong>at</strong>erminaleneisvakinversjon,ogenkvadr<strong>at</strong>isksammenhengmellomstrmmenogspenningeneisterkinversjon.Vedakopletransistorensomvistigur3.1kantransistorenbrukesifotoreseptorensomstrmkildemedlogaritmiskellerkvadr<strong>at</strong>iskkompresjonavhengigavfotostrmmensstrrelse.VidereutoverikapitteletbrukerjegbetegnelsenP-diodeogN-diodehenholdsvisomenPellerNtypeMOS-FETtransistorkopletsomvistiguren.SpenningenV foto erproporsjonalmedlogaritmenavfotostrm- VDD VDDmensalengeI foto erlavnoktilaholdetransistorenisvakinversjon.FotostrmmenerproporsjonalmedlysetsintensitetogV foto vilvreproporsjonalmedlogaritmenavintensitetenoverereorden.kerV foto VIfotofoto slik<strong>at</strong>transistorenopereresisterkinversjon,vilsammenhengen Ifoto IfotomellomI foto ogV foto blikvadr<strong>at</strong>isk.ForaholdekonverteringenlogaritmiskforenstrstmuligvariasjonilysetsintensitetkanbreddenpaFigur3.1:Diodekoplededendiodekopledetransistorenkes,slik<strong>at</strong>transistorenholdesisvak PogNMOS-FETtransistorerinversjonforstrrestrmmerogdermedhyerebelysningsnivaer.Result<strong>at</strong>etfraensimuleringsomvisersammenhengenmellomstrmmengjennomP-ogNdiodenogVfoto ervistigur3.2.Fordetfrsteserman<strong>at</strong>P-diodenharethyereDC-nivaenndetN-diodenhar,ogfordetandreerhelningenpakurvenisvakinversjonbr<strong>at</strong>tereforP-dioden .Detbetyr<strong>at</strong>manvedabrukeenP-diodeifotoreseptorenvilfaenstrreendringiV 1 forengittvariasjonifotostrmmenennmedenN-diode.Detbetyr<strong>at</strong>enfotoreseptormedenP-diodeharenbedreareal/signal-r<strong>at</strong>eennenfotoreseptormedN-diode.SvingetforV foto kankesytterligerevedakopletoP-dioderiserieogleseV foto utveddennederstetransistorensdrain.DennekoplingenvilogsasenkeDC-nivaetpaV foto .ImotsetningtilN-diodenharP-diodeng<strong>at</strong>ekopletmotV foto nodenogdenkapasitivelastenpadennenodenblirhyeremedenP-diode.DetkanderforvreenfordelabrukeenN-diodeide1Forholdetmellomtransistorenesbreddeoglengdeidennesimuleringener1,oggrensenforsvakinversjongarved10 A[2].,7
10 Kapittel34.5P-diode4Spenning fra fotoreseptor (V)3.53N-diode2.5210 -11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5Fotostraum (A)Figur3.2:SammenhengmellomstrmogspenningforP-ogN-diodenFigurenviserresult<strong>at</strong>etfraensimuleringderenP-ogenN-diodeerp<strong>at</strong>ryktenstrmmellom10 ,11og10 ,5 A.SimuleringenergjortmedanaLOG'sFET5-modellogdekkeretrepresent<strong>at</strong>ivtomradeforfotostrmmenfradefotodetektorenejegpresenterersenereikapittelet.tilfellederdenkapasitivelastenpadennenodenerkritisk.IfotoreseptorenerbidragetikapasitivlastfraMOS-FETtransistorensg<strong>at</strong>esvrtlitesammenlignetmedkapasitansenefotodiodenellerfototransistorenbidrarmed.DettefordiarealetforPNovergangeneifotodetektoreneerstore.3.2.2 BivirkningeravenulinersignalkompresjonVedakomprimeresignaletfrafotodetektorenfarmanoverfrtenstorvariasjonilysetsintensitettiletelektrisksignalsomliggerinnenfordetdynamiskeomradetforkretseneisensoren.Ulempenmedkompresjonener<strong>at</strong>deneruliner,ogdettepavirkersignaletsamplitudeogfotoreseptorensstige-ogfalltid.Harmanforeksempelensignalkildemedengittintensitetogenbakgrunnsbelysningmedvarierendestyrke,vilutslagetforkildenvarieremedDCinnholdetitotalsignalet.EnlavbakgrunnsbelysningvilgienhyDC-komponentpaVfoto nodenogethytutslagforsignalkilden,mensenhybakgrunnsbelysningvilgienlavDC-komponentogetmindreutslagforsignalkilden.Malingensomervistigur3.3(a)illustrererdenneeffektenforenfotoreseptormedenPNPfototransistorogenenkelP-diode.TidsresponsenforenfotoreseptormedenfotodiodeogenkelP-diodeervistigur3.3(b).Reseptorenharenasymmetriskstige-ogfalltididettilfelledersignalkildenvekslermellomheltavogheltpa,mensreseptorenharentilnrmetsymmetriskresponsnarlyskildenikkeslasavetterhverlyspuls,menlysersvakt .DetotilfelleneerhenholdsvismerkettilstandAogtilstandB.Enavforklaringenepaenasymmetriskstige-ogfalltidkanliggeirekombinasjonsprosessen2isilisium.Rekombinasjonenmellomhullogelektronerisilisiumforegarnestenutelukkendeindirekte[13].Detvilsi<strong>at</strong>ladningerikkegardirektefraledningsbandettilvalensbandet,menma2Strmmenilysdiodenvekslermellom1mAog20mAidettetilfellet.
4.25130Tilstand A1204.2Amplituden for AC-komponenten p Vfoto11010090807060Respons (V)4.154.14.054Kilden avTilstand BKilden paa501.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5DC spenning over lyskilden3.950 0.5 1 1.5 2Tid (s)x 10 -4(b)TidsresponsenforenreseptormedfotodiodeFigur3.3:MalingerforaillustrerehvordanfotoreseptorenpavirkesavkompresjonenMalingigur(a)ergjortpaenfotoreseptormedenPNPfototransistorogenP-diode.LyskildenvarenlysdiodehvorenAC-komponentmedfastamplitudebleoverlagretenkendeDC-komponent.PunkteneigurenrepresentereramplitudeniACdelenavsignaletpaV foto noden.VerdienelangsX-aksenerproporsjonalemeddentotalebelysningsintensiteten.Frekvensenveddennemalingenvar1kHz.Malingenigur(b)ergjortpaenfotoreseptormedenfotodiodeogenP-diode.LyskildenvekslermellomheltavogheltpaforkurvenmerkettilstandA,mensdenikkeslasheltavforhverlyspulsforkurvenmerkettilstandB.Frekvensenveddennemalingenvar10kHz.Uliketyperfotodetektorer 11viaetenerginivaibandgapetsomkallesetrekombinasjonsniva .Ifrstetrinnavrekombinasjonsprosessenfallerenladningfraledningsbandettiletrekombinasjonsniva.Inestetrinnkantoting3skje:ladningenfallertilvalensbandetogrekombinasjonenfullfres,ellerladningenkaneksiterespagrunnavtermiskeelleroptiskeprosesserogrekombinasjonsprosessenmastarteforfraigjen.Ladningerirekombinasjonsnivaetbidrarikketilladningstransportenihalvlederen.(a)KompresjonavetAC-signalsamplitudemedkendetotalbelysningNarhalvlederenbelyseskerantalleteksiterteladningerogdetfrertil<strong>at</strong>ereladningervilvreiferdmedagjennomfreenrekombinasjonsprosessutfraprinsippetomlikevektmellomantalletrekombinasjonerogladningersomeksiteres [13].Dennelikevektenmellomeksitasjonogrekombinasjonfallertiletlaverenivanardetektorenikkelengerbelyses,ogladningersomfrigjresfra4rekombinasjonsprosessenkanbidr<strong>at</strong>illadningstransporten.Strmmensomskyldesdenneeffektenerifra10 Aogmindre,ogpagrunnavdenlogaritmiskekompresjonenblirendringeniV ,8 foto erehundremV.Slarmankildenheltavnarmanbrukerenfotoreseptormedulinerkonverteringmellomstrmogspenning,vilsignaletfaetannetDC-nivaenndetvilleh<strong>at</strong>tdersommanbrukteenlinerkonverteringellervekslerkildenmellomnestenavogheltpa.EnhyereDC-komponentsammenmed3Etrekombinasjonsnivakanvreenhvilkensomhelstforurensningellerendefektikrystallensomeristandtilafangeoppenfriladning.4Deterhersnakkommiddelverdierogikkeabsoluttantall.
12 Kapittel3denendredeformenpasignaletkanfretilenannendutycycle 5 fordetdetektertesignaletenndetopprinneligesignalethadde.Kompresjonenharingenbetydningforfotoreseptorensbandbredde.3.3 FotodioderDenenklesteformenforfotodetektormankanlagei<strong>CMOS</strong>erenfotodiode,hvormanbrukerenbrnnellerenbitdiffusjondirekteisubstr<strong>at</strong>etsomdeneneterminalenidioden.Plasseringenavdiodenerderforbundetav<strong>at</strong>substr<strong>at</strong>etutgjrdenandreterminalen,somdaerkoplettilGNDellerV DD avhengigavhvilkenprosesstypesombenyttes.TestkretsenmedfotodetektoreneerprodusertmedenN-wellprosessogsubstr<strong>at</strong>eterkoplettilGND.3.3.1 BrnndiodenP<strong>at</strong>estkretsenerdetlagtuttrefotodiodermedbrnnsomk<strong>at</strong>ode.Jegkallerdennetypefotodiodeforenbrnndiode.DeterogsalagtutenvariantavdennediodetypenderdenverstedelenavbrnnenersvaktPdopet.Jegskalstrakskommetilbaketildenne.4.24.15120x1200.3x+ Areal 360x360 lambda4.14.050.25o Areal 120x120 lambdaRespons (V)43.95Respons (V)0.20.15x Areal 40x40 lambda3.90.13.853.8360x3600.053.750 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4(a)Responsenforbrnndiodeneved35kHz010 2 10 3 10 4 10 5Frekvens (Hz)(b)FrekvensresponsenforbrnndiodeneFigur3.4:SammenligningavresponsenforbrnndiodeneIgur(a)visesresponsenforbrnndiodeneved35kHz.Responsenfordenstrstefotodiodenindikererenfotostrmsomliggeriytterkantavintervalletforsvakinversjonutfrasimuleringeneigur3.2.Utfragur(b)serdetikkeuttilavrenoenforskjellifotodiodenesfrekvensrespons.Brnndiodeneerkvadr<strong>at</strong>iskeogside<strong>at</strong>enefordetreer40,120 og360.Foraholdepotensialetibrnnensastabiltsommuligfordetostrstefotodiodeneeretstortantallbrnnkontakterspreddutoverbrnnensover<strong>at</strong>e.Avstandenmellomkontakteneer25padenmellomstebrnndioden,ogdetertotalt8kontakter.Denststefotodiodenharreradermedkontakterhvoravstandenmellomkontakteneiradeneer25,totalt44kontakter.Denminstediodenhartokontakteriytter-5Dutycycleerenbetegnelsepaforholdetmellomdentidenamplitudeietsignalliggeroversignaletsmiddelverdiiforholdtildentidenamplitudenliggerundermiddelverdien.
Uliketyperfotodetektorer 13kantenavbrnnen.Fordestorebrnndiodenevilmetallederenesomkrysserbrnnenlageenvissskygge,mensettiforholdtilbrnnensarealblirskyggenframetallbanenesvrtliten.Responsenforfotoreseptorermeddetostrstebrnndiodeneved35kHzervistigur3.4(a)ogfrekvensresponsenforalletrefotodiodeneervistigur3.4(b).Frekvensresponsenfordetrefotodiodeneseruttilavredensamme,ogforskjellenikapasitivlastfordetrebrnndiodeneoppveiesved<strong>at</strong>fotostrmmenseruttilakemedsammetaktsomkapasitansennarbrnnensutstrekningvokser.Vedkonstruksjonenbrnndiodenebledetlagtlitenvektpa<strong>at</strong>side<strong>at</strong>eneibrnnenogsaharbetydningforfotostrmmen.Ipraksisbetyrdet<strong>at</strong>svingetkunnevrtktfordenstrstefotodiodenvedakopleeremindrefotodioderiparallellinnenforetlikestortareal.Enslikdelingvillegittennoestrrekapasitivlast,mendetvilleantageligvisoppveiesavkningenifotostrmmen.3.3.2 BurrieddiodeDetjegkallerenburrieddiodeeriutgangspunktetenbrnndiodehvordenverstedelenavbrnnenersvaktPdopet.DennePdopingenertyngreennsubtr<strong>at</strong>etsdopingoglettereenndrain/sourcediffusjonerogerberegnetfordopingavbasenibipolarNPNtransistorer.Burrieddiodenharsammestrrelseogsammeantallkontaktersomdenmellomstebrnndioden.4.20.210.24.154.1Broenndiode0.190.18o Broenndiode* Burried diodeRespons (V)4.05Respons (V)0.170.1640.153.95Burried diode0.140.133.90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4(a)Responsenforbrnndiodenogburrieddiodenved35kHz0.1210 2 10 3 10 4 10 5Frekvens (Hz)(b)FrekvensresponsenforbrnndiodenogburrieddiodenFigur3.5:SammenligningavresponsenforbrnndiodenogburrieddiodenResponsenforbrnndiodenogburrieddiodenervistigur(a).Fotostrmmenforbeggefotoresptoreneseruttilaliggeiintervalletforsvakinversjonutfrasimuleringenigur3.2.Tidsresponsenogfrekvensresponsenforburrieddiodenseruttilavrenoedarligereennbrnndiodensutframalingenevistigur(a)og(b).IdeentildennedopingenavdetverstelagetibrnnenerhentetfraCCDteknikken[13].Idenneteknikkenbrukermanetlagmedsammetypedopingsomsubstr<strong>at</strong>etoverfotodetektorenforaskilledennefraovergangenmellomsilisiumetogoksidet.Arsakentildetteer<strong>at</strong>detiovergangenmotoksidetdannesetlagmedSiOX derXer0,1eller2,hvorbindingenemellom<strong>at</strong>omeneerufullstendige.Rekombinasjonsr<strong>at</strong>enerhyereidettelagetsamtidigsomladningerirekombina-
14 Kapittel3sjonsprosessenharstorsannsynlighetforaeksiteresfrrekombinasjonenerfullfrt.Planenvaraforbedrefotoreseptorensresponstidvedaisoleremestmuligavbrnnensover<strong>at</strong>efraoksidet.Responsenforburrieddiodenogbrnndiodenervistigur3.5.Svingetforburrieddiodenerlavereennforbrnndiodenogresponstidenerdarligere.Detskyldes<strong>at</strong>denkapasitivelastenerktpagrunnavPdopingenoverbrnnen.Utfrakningeniover<strong>at</strong>enmellombrnnenogdetPdopedem<strong>at</strong>erialetskulledenkapasitivelastenblinoeunderdobbeltsastorsomforbrnndioden .Enstrreover<strong>at</strong>emellomPogNm<strong>at</strong>erialeskullegienhyerefotostrm,mendenverstePNovergangen6ergrunnogkningenifotostrmtilsvarerikkekningenikapasitivlast.3.4 FototransistoreneP<strong>at</strong>estkretsenerdetogsalagtuttrebipolarefototransistorer;enekteNPNtransistor,enparasittPNPtransistormedtungtdopetemitterogenparasittPNPtransistormedsvaktdopetemitter.Grunnentil<strong>at</strong>jegkallerdeneneekteogdetoandreparasittransistorerskyldes<strong>at</strong>prosessenbrikkenerprodusertmedinneholdtenPdiffusjonspesieltberegnettilbasem<strong>at</strong>erialeibipolareNPNtransistorer.DennediffusjonenkallesP-base.Denandretransistoreneretbiproduktav<strong>CMOS</strong>prosessen,ogidigitale<strong>CMOS</strong>kretserkanparasitteffektenedennetransistorenbyggerpafretil'l<strong>at</strong>chup'[3].Narmanbrukerbipolaretransistorersomfotodetektorerkanmanentenlabasenytevedautel<strong>at</strong>etilkoplingen,ellerbrukebasetilkoplingenientilbakekoplingderbasestrmmenstyresitaktmedlysetforaforbedretransistorensstige-ogfalltid.ForenfototransistormedytendebaseerdendominerendekomponentenibasestrmmenI Base ,fotostrmmeniPNovergangenmellomkollektorogbase.Dennestrmmenavgjrhvilketpotensialebrnnenliggerpa,ogdetavgjrigjeninjeksjonenavladningfraemittertilbaseogstrmmentotaltitransistoren.Enavfordelenefototransistorenharoverfotodiodeneerstrmforsterkningen.Detbetyr<strong>at</strong>manfarenhyerefotostrmperareal,ogmedenfototransistorkanmanlageenfotoreseptormedenmindrefotodetektoriforholdtilhvamankanmedenfotodiode.Prisenmanbetalerforstrmforsterkningenerenredusertbandbreddeogendarligeretidsrespons.Transistorensstrmforsterkningergittavantalletladningersomkrysserbasenfraemittertilkollektoriforholdtilantalletladningersomrekombinereribasen.3.4.1 OppbyggningenavfototransistoreneProsessensomblevalgtfortestkretsenmedfotodetektoreneinneholderendiffusjonstypeberegnetpabasem<strong>at</strong>erialetibipolareNPNtransistorer.DennediffusjoneneravPtypeogharenletteredopingenndrain/sourcediffusjoner,menertyngredopetennsubstr<strong>at</strong>et.DiffusjonslagetkallesP-base.Pbaselagetleggesienbrnnsomdannertransistorenskollektor,ogiP-basediffusjonenleggesenNdiffusjonsomemitter.Alletransistorenesterminalererdermedtilgjengeligeogtransistorenkanplasseresfrittiforholdtilforsyningsspenningene.StrrelsenpaNPNtransistoreneer4040,8080og160160.Transistoreneharhenholdsvis1,2og3emitterdiffusjoner.IfotoreseptorenemedNPNfototransistoreneerkollektoridenbipolaretransistorenkopletmotV DD ogemittererkopletmotenN-diode .VedakoplekollektormotV 7 DD reduseresMiller-effekten[6].SnittgjennomNPNtransistorenervistigur3.6.PNPtransistorenelagesvedabrukeenNbrnnsombaseogenPdiffusjonellerP-basediffusjonsomemitter.Substr<strong>at</strong>etblirkollektoritransistorenogdetbetyr<strong>at</strong>manikkehartilgangtilalleterminaleneogikkeharfrihettilaplasseretransistorendermanm<strong>at</strong>tenskeikretsen.Strrelsen6Over<strong>at</strong>enmellombrnnenogsubstr<strong>at</strong>etiburrieddiodenerikkefullttogangerbrnndiodens.7IdettetilfelleterMOS-FETtransistorenssourcekopletmotGNDogg<strong>at</strong>ekoplettildrain.
Uliketyperfotodetektorer 15Metall2(Skygge)Substr<strong>at</strong>kontakt Brnn(Kollektor) P-Base(Base) N+Diffusjon(Emitter)Figur3.6:SnittgjennomNPNfototransistorenp<strong>at</strong>ransistoreneer8080,ogbeggetransistorenehartoemitterdiffusjoner.EtsnittgjennomPNPtransistorenmedtungtdopetemitterervistigur3.7.Metall2(Skygge)Substr<strong>at</strong>kontakt Substr<strong>at</strong>(Kollektor) Brnn(Base) P+Diffusjon(Emitter)Figur3.7:SnittgjennomPNPfototransistoren3.4.2 ResponsenforfototransistoreneNarfototransistorenbelyseserdetenbetydeligtransportavladningiovergangenmellombrnnenogsubstr<strong>at</strong>etibeggetypertransistorer.ForPNPtransistorenerbrnnenbaseogdenneladningstransportenermedpaastyrekollektor-emitterstrmmen.INPNtransistorenerbrnnenkollektorogfotostrmmeniovergangenmellomkollektorogsubstr<strong>at</strong>etpavirkerikkestrmmenpaemitter.INPNtransistorenerPNovergangenmellomkollektorogbasegrunnere,ogbasenertyngredopetennforPNPtransistoren.Detbetyr<strong>at</strong>transportenavladningmellombaseogkollektorermindreienNPN-ennPNPtransistorpagrunnavsmaleredeplesjonssoneoglaverefotoelektriskeffektforgrunnePNovergangerennfordypePNoverganger.StrmmeniNPNtransistorenpagrunnavfotoelektriskeffektblirderformindreennforenPNPmedenlikestorbase-kollektorovergang.ForNPNtransistorenvilogsastrmmenpaemitterogkollektorvreforskjelligpagrunnavtransportavoptiskgenererteladningermellomkollektorogsubstr<strong>at</strong>et.ResponsenforPNPfototransistorenmedtungtdopetemitterogdenstrsteNPNfototransistorenervistigur3.8.ForsammesignalkildeharNPNtransistorenenmindreamplitudeogendarligerebandbreddeennPNPtransistoren.Ved35kHzersignaletfrafotoreseptorenmedNPNfotodetektorreduserttilunder1/3avamplitudenved1kHz.Arsakentildetteer<strong>at</strong>forfototransistorenemultipliserestilsynel<strong>at</strong>endekapasitanseniovergangenmellombaseogkollektormedtransistorensstrmforsterkningh FE ,ogtidsresponsenkanuttrykkesved:t r ;t f 2:2h FE C BC R Ldert r ogt f erstige-ogfalltiden,R L erlastmotstandenogC BC erbase-kollektorkapasitansen.Fototransistorenharstrrebase-kollektorkapasitansennandretyperbipolaretransistorer,ogderesresponstidervilvrebetydeliglavereennandrebipolaretransistorer.
16 Kapittel3443.53.533Respons (V)2.52PNP fototransistorRespons (V)2.52PNP fototransistor1.5NPN fototransistor1.5NPN fototransistor110.50 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2Tid (s)x 10 -3(a)Responsved1kHz0.50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4(b)Responsved35kHzFigur3.8:ResponsenforNPNogPNPfototransistorerForskjellenitidsresponsforNPN-ogPNPfototransistorenkommerklartfremimalingenevistigur(a)og(b).Ved35kHzersignaletfraNPNfototransistorenkraftigredusert.DenmestsannsynligeforklaringenerenstrrekapasitivlastiNPN-enniPNPfototransistoren.ForPNPfototransistorenserfotostrmmenuttilaliggeimoder<strong>at</strong>tilsterkinversjonutfrasimuleringenigur3.2.dopetemitter[13].3.5 OppsummeringNPNtransistorenharogsaensmalerebaseennPNPtypen,ogdetfrertil<strong>at</strong>NPNharenhyereh FĖ Base-kollektorkapasitansenerogsahyereiNPNfototransistorenenniPNPtypenfordibasenertyngredopetogdeplesjonssoneniovergangenmellomterminaleneersmalere.IsumgirenhyerestrmforsterkningogstrreC BC darligereresponstiderforNPN-ennPNPfototransistoren.Frekvensresponsenforfototransistoreneervistigur3.9.Avgurenserman<strong>at</strong>fototransistorenmedlettdopetemitterharenmindreamplitudeforengittlyskildeennfototransistorenmedPdiffusjonemitter. Arsakenliggeri<strong>at</strong>P-basediffusjonenharenletteredopingenndrain/sourcediffusjonen,oginjeksjonenavladningfraemittertilbasenermindreienfototransistormedlettGenereltsettharenfototransistorharenstrrefotostrmperarealenhetogendarligeretidsresponsennenfotodiode.Malingeneigur3.10(a)viserresponsenforPNPfototransistorensammenmeddenneststrstefotodioden.Denbipolarefototransistorenharetmindrearealennfotodioden,menenstrresignalamplitude.DC-komponentenisignaleterogsalavereforfototransistoren.Forskjellenistige-ogfalltidmellomtransistorenogdiodenervistigur3.10(b),ogavgurenserman<strong>at</strong>diodenharenbedretidsresponsved35kHz.Selvomfotodiodenharenbedretidsresponsennfototransistoren,kandenikkekonkurreremedfototransistorennardetgjelderresponsiforholdtilareal.Denbipolareparasittransistorenstidsresponserhellerikkesadarlig<strong>at</strong>denikkekanbrukesisensoren.Derforviljegs<strong>at</strong>sepaabrukeenPNPfototransistorsomfotodetektorisensoren.
Uliketyperfotodetektorer 171.21o PNP fototransistor* PNP fototransistor med svakt dopet emitterRespons (V)0.80.60.4x NPN fototransistor (160x160 lambda)0.2010 2 10 3 10 4 10 5Frekvens (Hz)Figur3.9:FrekvensresponsenforfototransistoreneMalingeneigurenviserfrekvensresponsenfordetretypenefototransistorer.NPNfototransistorenhardendarligstebandbreddenavdetre.DeteringenforskjellibandbreddefordetoNPNfototransistorene.4.20.2Respons (V)43.83.63.43.232.8120x120 BronndiodePNP Fototransistor2.60 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4(a)Responsenforbrnndiodenogfototransistorenved35kHzForskjell i respons for fotodioden og fototransistoren0.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4(b)DifferansenmellomresponsenforbrnndiodenogfototransistorenFigur3.10:ResponsenforPNPfototransistorenogbrnndiodenKurveneigur(a)viserresponsenforPNPfototransistorenogbrnndiodenved35kHz.Kurvenigur(b)viserforskjellenmellomdiodensogtransistorensresponsved<strong>at</strong>signaletfordiodenerskalertopptilsammestrrelsesomtransistorens.DC-komponentenerfjernetibeggesignaleneogfototransistorenssignaltrukketfradiodens.Sommansererfototransistorenstidsresponsdarligereennfotodiodens,mendetteoppveies<strong>at</strong>fototransistorenharenstrreresponsforsammelyskilde.Fotodiodengiretsvingpaomtrent200mVogfototransistorenetsvingpaomtrent1V.Strrelsenpafotodiodener120120 ogstrrelsenpafototransistorener8080.
18 Kapittel3
Kapittel4FiltreneisensorenFiltreneisensorenskalrealiseresmedanalog<strong>CMOS</strong>,oghaenlaveffektutvikling.Enlaveffektutviklingoppnasvedakonstruereltreneforoperasjonisvakellermoder<strong>at</strong>inversjon.Isvakinversjonvilkapasitivelasterfretilredusertbandbredde,ogltrenemaderforkonstrueresmedtankepaaredusereparasittiskekapasitivelaster.Idettekapitteletpresenteresetlavpasslterogetlterforautlingnefasentillavpassleteret,byggetforsvakellermoder<strong>at</strong>inversjon.4.1 InnledningIsensorengirkompar<strong>at</strong>orenforskjellenmellomdetlavpAssltrerteogdetultrertesignalet.Forareduseremulighetenforfeildeteksjonermaforskjellenifasemellomdetosignalveienevreminstmulig.kerforskjellenifasekerrisikoenforfeildeteksjonerved<strong>at</strong>styenmaskererbortsignalpulseneforkompar<strong>at</strong>oren,ellerved<strong>at</strong>sensorenskiftertilstandpagrunnavselvestyen.Hvorstorfeilifasensomkantolerereseravhengigavterskelenikompar<strong>at</strong>orenogstyensamplitude.Medenfaseforskjellmellomsignalveieneblirogs<strong>at</strong>erskelenredusertpagrunnavdifferansenmellomlavpassltrertogultrertsignal.Dermedkansensorenskiftetilstandpagrunnavstyvedsignalfrekvensen,somforeksempellekkasjelysgjennombandet.4.2 Filtrei<strong>CMOS</strong>Integrerteltrei<strong>CMOS</strong>kandelesitohovedgrupper;entidskontinuerligogenmeddiskretopplsningitidsplanet,sampledd<strong>at</strong>a.Switchedcapacitor(SC)ogswitchedcurrent(SI)ltrehrertilsampledd<strong>at</strong>agruppen.DeviktigstetidskontinuerligltreneeraktivRC,MOSFET-Cog\Oper<strong>at</strong>ionalTransconductanceAmplier-Capacitor"(OTA-Cltre)[12].Sampledd<strong>at</strong>altreFellesfor\sampledd<strong>at</strong>aanalogsystems"erenukodetamplitudeogendiskrettidsvariabelmedereklokkefasersomikkeoverlapperhverandre.Klokkefrekvensenikombinasjonmedforholdetmellomkondens<strong>at</strong>orerellerstrmmerbestemmerplasseringavnettverkenespolerognullpunkter.19
20 Kapittel4Medenkrystallstyrtklokkeogkondens<strong>at</strong>orermedtopolylagfarmanltrederplasseringenavpolerognullpunktererstabilogavvikerlitefraberegnedeverdier.Ulempenmedsampledd<strong>at</strong>altreneer<strong>at</strong>bandbreddenforinngangssignaletmareduserespagrunnavaliasing,ogutgangenmasendesigjennometgl<strong>at</strong>telter[17].SwitchedcapacitorltrekansammenlignesmedaktiveRCltrederenmotstanderst<strong>at</strong>tesavenkombinasjonavetantallbrytereogenkondens<strong>at</strong>or.Tidskonstanteneergittsom = T (C 1 =C 2 )oglarseg,iflgeGregorianogTemes,realiseremedsagodnyaktighetsom0.5%ommanbrukerkondens<strong>at</strong>orermedtopolylag[4].SwitchedcurrentltrenebyggerpasammeprinsippsomSCltrene,ogfordennetypenltreertidskonstantenavhengigavklokkefrekvensenogforholdetmellomstrmmer.ImotsetningtilSCltrenetrengerikkeSIltrenekondens<strong>at</strong>orermedsahypresisjonsomkondens<strong>at</strong>orermedtopolylaghar,ogtransistorenesg<strong>at</strong>ekapasitanserkanbrukesforalagreladning.PresisjonenforSIltreblirnoedarligereennforSCltre,menenpresisjonpa1%innerekkeviddeforSIltrene[12].TidskontinuerligeltreTidskontinuerligeltrei<strong>CMOS</strong>bleiutgangspunktetutvikletforSCltremedtankepaantialiasingoggl<strong>at</strong>ting,menharetterhvertblittetaltern<strong>at</strong>ivtilSCltreilavfrekvensapplikasjoner.Presisjonenliggerpa30-50%;langtdarligereennforsampledd<strong>at</strong><strong>at</strong>eknikkene,mentilgjengjeldharmanikkedeproblemenesamplingfrermedseg[15].Stabilitetenerogsadarlig,ogideestetilfelleerdetndvendigainkluderekretserforamotvirkeendringeriltreneskarakteristikkersomforeksempelskyldestemper<strong>at</strong>urvariasjoner.IaktiveRCltreerrealiseringavpassivemotstanderetproblem.Motstandenekanlagesvedabrukediffusjonerellerpoly,ogstrstmotstandharmanidiffusjonerforbrnner.Detstrsteproblemeter<strong>at</strong>prosessparametrenefordeulikelageneikkeerstabilenoktilagitomotstandermedsammeareallikeegenskaper.Detfrertil<strong>at</strong>temper<strong>at</strong>urstabilitetenblirdarligog<strong>at</strong>nominellresistansvarierermye.Motstandenekreverogsastorearealerpagrunnavbegrensningeriminsteavstandmellomdiffusjoner.Kombinertmeddarligstabilitetgjrdet<strong>at</strong>ltreavdennetypenerlite<strong>at</strong>traktive.PrinsippetforMOSFET-CltreneerdetsammesomforaktivRC.Forskjellenliggeri<strong>at</strong>motstandeneerst<strong>at</strong>tesavspenningskontrollerteMOS-FETtransistorer.Transistoreneharulinearitetermanmakompenserefor,ogdetnnesereuliketeknikkerfordetteformalet[15].Fellesforteknikkeneer<strong>at</strong>kompleksiteteniltreneogarealforbruketker.4.2.1 OTA-CltreAvhensyntilstabilitetoggodtsamsvarmellomberegnetogendeligkarakteristikkvilleSCltrenevreetfristendealtern<strong>at</strong>iv.Ulempener<strong>at</strong>SCltrenekreverstorearealerpagrunnavbehovetforantialiasing-oggl<strong>at</strong>telter.Isensorenmaogsaklokkenliggepabrikkendersomdennetypenltreskalvreaktuell.Sensorenskallagesforenlitenpakkeogsilisiumarealeterikkestortnoktilabrukesampledd<strong>at</strong>altre.BadeutfrabegrensningeriarealetogmedtankepalavteffektforbrukbenyttesOTA{Cltreisensoren.OTA{CltreneerenvariasjonavaktiveRCltredermotstandererst<strong>at</strong>tesavtranskonduktansforsterkere,ogpagrunnavdetnreslektskapetmellomdetoltertypenekanteorienforkonstruksjonavaktive-RCltrebrukesforOTA{Cltrene.Denenkleintegr<strong>at</strong>orenerdenmestbruktebyggesteneniOTA{Cltrene,ogtidskonstantenforintegr<strong>at</strong>orenergittavkondens<strong>at</strong>orensstrrelseogforsterkerenstranskonduktans, = G m =C.FordelenmedOTA{Cintegr<strong>at</strong>orener<strong>at</strong>denharenhyinngangsimpedansogingenforbindelsemellom
Filtreneisensoren 21oghvorstorvariasjonmanfareravhengigavomltreneopereresisvakellersterkinversjon.4.3 Fasekorrigerendelteroglavpasslterinn-ogutgang.Detbetyr<strong>at</strong>ereleddkankoplesiserieutenapavirkehverandresoverfringsfunksjon,ogrekkenmedintegr<strong>at</strong>orerfarenoverfringsfunksjonsomerlikproduktetavleddenes.Detteprinsippetkallesmodularitet.Vedabrukekondens<strong>at</strong>orermedtopolylagbestemmerforsterkerensegenskaperltrenesstabilitetogdynamiskeomrade.Forsterkereniltrenekonvertererspenningertilstrmmer,ogpagrunnproblemermedulinearitetforstoreinngangssignalerbegrensesdetdynamiskeomradetforltrene.Filtrenesamplituderesponsogfasekarakteristikkvilvarieremedforsterkerenestranskonduktans,Detenestekravetmanharaforholdesegtilforltreneisensorenerenminimalforskjellifasemellomallpass-oglavpasslteret.Ijaktenpadeltrenesomskalbrukesisensorenerdetdan<strong>at</strong>urligabegynnemedallpasslteretforafadettelteretsaenkeltsommulig.Lavpassltervelgessamedfasekarakteristikkenfordetfasekorrigerendelteretsomutgangspunkt,ogsahermedtankepaensaenkellsningsommulig.Etn<strong>at</strong>urligutgangspunktfordetfasekorrigerendeltereterdetenkleallpasslteretbeskrevetinesteavsnitt.4.3.1 AllpasslteretDetsomkjennetegneretallpassltererlikemangepolersomnullpunk-tersymmetriskplassertomdenimaginreaksen.Eteksempelpaetenkeltallpasslterervistigur4.1.Filteretharenpologettnullpunktpadenreelleaksen.Sermanlteretfrakondens<strong>at</strong>orenerdetethypass-lter,ogframotstandenetlavpasslter.M<strong>at</strong>eslteretfrabeggesidermedinngangssignaletinvertertpadeneneinngangengirsummenavhypassoglavpassfunksjonenetallpasslter.Overfringsfunksjoneneforhypass-oglavpasslteretergittved:T (s) HP =ss +1=RC ; T 1=RC(s) LP =s +1=RC-V innV innCR V utFigur4.1:AllpasslterAntarman{V inn pahypassidenogsummererfunksjonenebliroverfringsfunksjonenforallpass-lteret:T 1=RC , s(s) AP =s +1=RCDempningenforltereteruavhengigavfrekvenssidenpolenognullpunktetliggersymmetriskomdenimaginreaksen.Fasedreiningensomfunksjonavfrekvensenergittved:(|!) = ,2tan ,1 (!RC) (4.1)Filteretsfasedreiningkanskisseresvedasepanoennkkelpunkterifrekvensbandet.Vedlavefrekvenser(! 0)erfasen0 ,vedknekkfrekvensen(! 0 =1=RC)erfasenkettil{90 ,ognarfrekvensengarmotuendelignrmerfasenseg{180 .Detteersammefasekarakteristikksomforetandreordenslavpasslterutennullpunkterogmedsammenfallendepolerpadenreelleaksen.DetteltereterliteegnetforOTA-Cteknikkenog<strong>CMOS</strong>isvakellermoder<strong>at</strong>inversjon.Problemeterdenasymmetriskekapasitivelasten.Inngangskapasitansenp<strong>at</strong>ranskonduktansforsterkeren
22 Kapittel4ermindreennkondens<strong>at</strong>orenogdetdrivendenettverketfaruliklastpautgangsnodene.Detteersvrtkritiskisvakogmoder<strong>at</strong>inversjonogvilgiulikdempningpa{V inn ogV inn nodene,noesomfrertil<strong>at</strong>fasekarakteristikkenforallpasslteretendres.Settmotlteretsinngangerbrdenkapasitivelastenvresasymmetrisksommulig.Filteretinesteavsnittgirosstilnrmelsesvisdennskedefasen,oglserproblemetmedulikkapasitivlastpainngangene.4.3.2 Etaltern<strong>at</strong>ivtilallpasslteret-V innEtaltern<strong>at</strong>ivtilallpasslteretervistigur4.2.Polenognullpunktetfordettelteretliggerikkesymmetriskomdenimaginreaksen.R2 Kretsenharderforenfrekvensavhengigdempningogerikkeetallpasslter.VelgermanriktigeverdierforkomponentenegirlteretCR1 V ut enlavdempningogenfasedreiningsomikkeskillersegmyefraallpasslterets.Videreirapportenomtalesdettelteretsomfase-V inn lteret.SommeddetenkleallpasslteretkanmansepafaselteretsomFigur4.2:Faselteret ethypasslterellerlavpasslteravhengigavhvilkensidemanregnersominngangen.SettesR1 sominngangerlteretetlavpasslter,ogmedR 2 erlteretethypass-lter.Overfringsfunksjoneneergittsom:T (s) HP =R 1R 1 + R 2 +1=sC ; T (s) LP = R 2 +1=sCR 1 + R 2 +1=sCAntarmanogsaher{V inn pahypassiden,bliroverfringsfunksjonenforlteret:der! 0 og er:! 0 =T (s) = s + ! 0s + ! 01(R 1 + R 2 )C ; = R 2 , R 1R 1 + R 2vilvreneg<strong>at</strong>ivsalengeR 2 ermindreennR 1 .VelgesverdieneforR 1 ogR 2 slik<strong>at</strong>mankansebortfraR 2 ,bliroverfringsfunksjonenfordettelteretlikallpasslterets.SprsmaletersahvorstorR 2kanvreiforholdtilR 1 frdempningenblirbetydelig,oghvormyefasedreiningenavvikerfraallpasslteretsfordetteforholdetmellommotstandene.Fasedreiningen(|!)ogamplituderesponsenA(|!)ergittved:(|!) = arctan(4.2) ! !, arctan! 0 ! 0s(!) 2 + ! 2 0A(|!) =(4.3)! 2 + ! 02Filteretharingendempningsalenge! ! 0 ,ogfor! ! 0 erdempningenlik.Settermanengrensefordempningenover! 0 ved1dB,maR 2 holdesmindreenn5.75%avR 1 .Igur4.3erforskjellenifasedreiningmellomfaselteretogdetenkleallpasslteretsamtamplituderesponsenforfaselteretvistfordetteforholdetmellommotstandene.ForskjellenifasemellomallpasslteretogfaseltereterforsmaverdieravR 2 strstvedknekkfrekvensen,ogselvnarR2 er100%avR 1 erforskjellennr0 underknekkfrekvensen.Medkende
Filtreneisensoren 230.1400.12-0.2Forskjell i fasedreining (grader)0.10.080.060.04Dempning (dB)-0.4-0.6-0.80.02010 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7Frekvens(a)Forskjellifasedreining-110 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7Frekvens(b)DempningenforfaselteretFigur4.3:Avvikifasemellomfaselteretogallpasslteret,ogfaselteretsdempningFigur(a)viserdempningenforfaselteretderverdienavR 2 ers<strong>at</strong>ttil5.75%avR 1 .Dempningenerberegnetetterligning(4.3).Igur(b)erforskjellenifasemellomdetenkleallpasslteretogdetfasekorrigerendelteretvist.Hererligning(4.1)og(4.2)benyttet.Knekkfrekvensenertilfeldigvalgt.R 2 stigerdempningenraskt,ogdempningenkanblietproblemdersomR 2 blirstor.FasedreiningenermerrobustogfrstnarR 2 kommerover16%avR 1 nrmerforskjellenifaseseg1 vedknekkfrekvensen;dempningengarmot3dB.Detteforutsetter<strong>at</strong>amplitudeneforsignalenepa{V inn ogV inn harsammeabsoluttverdi.Enulikamplitudepafaselteretsinngangervilpavirkelteretsamplituderesponsogfasedreining.4.3.3 FaselteretisilisiumIfaselteretkombinerestranskonduktansforsterkereogkondens<strong>at</strong>orenpaenannenm<strong>at</strong>eennidenenkleOTA{Cintegr<strong>at</strong>oren.Kon-,dens<strong>at</strong>orenerkopletmellomutgangenepadetoforsterkerenesom+vistigur4.4,ogdetpavirkerfaselteretsresponsforsignalermed {Vinnamplitudestrreenn100mV,heretterkaltstorsignalrespons.Storsignalresponsenerbegrensetavforsterkerensslew-r<strong>at</strong>e.DentypenGm2 Cforsterkersombrukesleverermaksimalstrmtillastennardiffe-,ransenmellominngangeneerover100mV.Iltreneharforster-kereneneg<strong>at</strong>ivtilbakekopling,sahererdetsnakkomforskjellenVutVinn +mellominn-ogutgang.Forstrrespenningsforskjellervilslewr<strong>at</strong>ebegrensningfretil<strong>at</strong>systemetikkeharenlinerrespons.Gm1Enulinerresponsgirenforvrengningavutgangssignaleti Figur4.4:Faselteretisilisiumforholdtilnormalresponsforetgittinngangssignal.Responsentildenenkleintegr<strong>at</strong>orenforsignalermedamplitudestrreenn100mVviseringenforvrengningforlavefrekvenser.Frstnarfrekvensennrmersegknekkfrekvensenblirforskjellenmellominn-og
24 Kapittel4utgangstornoktil<strong>at</strong>systemetikkelengererlinert.Ensinusmedamplitude2{300mVnrmersegensagtannforfrekvenserrundtknekkfrekvensen.1.71.71.61.61.51.5Respons (V)1.41.31.2Respons (V)1.41.31.21.11.1110.90 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02Tid (s)(a)Responsunderknekkfrekvensen0.90 0.5 1 1.5 2Tid (s)x 10 -4(b)ResponsoverknekkfrekvensenFigur4.5:StorsignalresponsforfaselteretFigurenvisersignalenepanodeneV inn ogV ut forfaselteret.V inn ergjengittmedheltrukketlinjeogV ut medstiplet.Malingeneerfort<strong>at</strong>tved100Hzog10kHz.V ut harnoehyereDC-verdiennV inn ibeggemalingenenoesomskyldesfeilspenningeritranskonduktansforsterkerene.Faselteretsdempningoverknekkfrekvensenergodtsynligigur(b).Forspenningener0.8VforGm1 og1VforG m2 ,ogknekkfrekvenseneromtrent3kHz.Avgur4.5gardetfrem<strong>at</strong>faselteretharlitenelleringenforvrengningforsignalermedamplitudestrreenn100mVoverellerunderknekkfrekvensen.Underknekkfrekvensendominererlavpassdelenavlteretresponsen,oghypassdelenavlteretdominererresponsenoverknekkfrekvensen.Forvrengningenrundtknekkfrekvensenerresult<strong>at</strong>etavforvrengningenfrabadehypassoglavpassidenilteret.Malingvedknekkfrekvensenervistigur4.6.Filteretharsammekapasitivelastpabeggeinngangeneogkondens<strong>at</strong>orenerisolertfradendrivendekretsen.TranskonduktansenGm1 mavreunder5.75%avG m2 forafaendempningmindreenn1dBoverknekkfrekvensen.Iutgangspunktetkanmanbrukesammeforspenningpadetoforsterkerenevedaskaleretransistoreneiforsterkereneforafadetriktigeforholdetmellomtranskonduktansene.LikespenningenpalteretsutgangerlikspenningenpaV inn noden.Bidragetfra{V inn blokkeresavkondens<strong>at</strong>oren.Filteretharderforbarefeilspenningenfraenforsterker.4.3.4 MalingeravfasedreiningogdempningifaselteretMalingenepafaselteretergjortvedasendesignaletgjennomfasesplitterensomstarmellomfase-lteretogfotoreseptoren.Fasesplitterenkonverterersignaletfrafotoreseptorentiltospenningersomerinvertertiforholdtilhverandreforadrivefaselteret.Jegskalkommetilbaketildennekretseninesteavsnittogvilherbarenevne<strong>at</strong>spenningenpanoden{V inn erdempet1dBmerennspenningenpanodenV inn .Malingeravfasekarakteristikkenogamplituderesponsenforfaselteretervistigur4.7sammenmedteoretiskekurver.
Filtreneisensoren 251.71.61.51.4Respons (V)1.31.21.110.90 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2Tid (s)x 10 -3Figur4.6:StorsignalresponsforfaselteretvedknekkfrekvensenMalingengjengittigurenviserfaselteretsstorsignalresponsnrknekkfrekvensen.DenheltruknelinjenerinngangssignaletV inn ogdenstipletelinjenerutgangssignaletV uṫ Sammenlignetmedmalingeneigur4.5girfaselteretentydeligforvrengningiforholdtilnormalresponsforinngangssignalet.Signaletsfrekvenser1kHz,ogforspenningeneerdesammesomformalingeneigur4.5Forholdetmellomtranskonduktanseneerikkedenenestearsakentildenhyedempningenmanseroverknekkfrekvensen.AsymmetrieniamplitudenpanodeneV inn og{V inn ermedpaakefaselteretsdempning.Noden{V inn harenamplitudesomerredusertmed1dBiforholdtilnodenV inn ,oghypassdelenavlteretharderforiutgangspunktetendempningpa1dB.Faselteretharisegselvendempningpa0.6dBiforholdtilV inn overknekkfrekvensen.For<strong>at</strong>ilpassedeteoretiskekurvenetildemalteverdieneers<strong>at</strong>ttil{0.83.MedsammeamplitudepanodeneVinn og{V inn villeG m1 vrt9.3%avG m2 .Regnermanmeddempningenpanoden{V inn farmanetforholdmellomkonduktansenepa3.6%.Medlikamplitudepainngangenevilledetgiendempningpa0.6dBoverknekkfrekvensen.Pagrunnavdempningenpadeneneavinngangsnodeneblirogsaforskjellenifasedreiningenmellomfaselteretogallpasslteretstrre.Ideeltsettskullekretsengitt0.1 til0.2 avvikiforholdtildetenkleallpasslteret,menmedasymmetrienmellomV inn og{V inn blirforskjellenover3 padetmeste.Avviketharsammeformsomkurvenigur4.3(b).Transkonduktansforsterkerenemahahyeforspenningerforagienknekkfrekvensover1kHz.Transkonduktansforsterkerenpalavpassidenhar0.8Voghypassiden1Vforspenning.Hypassdelenavltereterderforisterkinversjonoglavpassdelenpagrensentilmoder<strong>at</strong>inversjon.Medbadelavpassoghypassforspentforsvakinversjonvilknekkfrekvensenliggenedmot100Hz.Denburdeliggeover1kHzforafamestepartenavdenlavfrekventestyenipassbandet,ogforaf<strong>at</strong>ildettekankondens<strong>at</strong>orenegjresmindre.4.3.5 FasesplitterenFaselteretkrevertospenningerimotfaseforafungere.Spenningenfrafotoreseptorenmaderforkonverterestiltospenninger,enifaseogeninvertertiforholdtilinngangssignalet.Kretseni
26 Kapittel400-0.2Fasedreining (grader)-50-100-150Dempning (dB)-0.4-0.6-0.8-1-1.2-1.4-1.6-20010 2 10 3 10 4 10 5Frekvens(a)Fasedreiningen-1.810 2 10 3 10 4 10 5Frekvens(b)DempningenFigur4.7:MaltdempningogfasedreiningforfaselteretDemalteverdieneermarkertmedpunkterogdeheltruknelinjeneerberegnetetterutrykkeneforamplituderesponsenogfasedreining(ligning4.2og4.3).Fordeteoretiskelinjeneer! 0 s<strong>at</strong>ttil2900Hz,og til{0.83.V inn erreferansefordemalteverdiene.ForspenningenforG m1 er0.8Vog1VforG m2 .gur4.8brukestildetteformalet.VDD Narspenningenpainngangensvingermellom0Vog5V,kanutgangeneoptimaltsettsvingemellomhenholdsvis0Vog2.5V,ogT3 2.5Vog5V.Detvilgiendempningpa6dBfornodeneV inn og{V inn,V inniforholdtilV fotȯ Transistoreneerikkeheltideelle,ogdetvilvreV fotoetspenningsfalloverTT22 pagrunnavmotstanditransistoren.ItillegggarikkespenningeneoverdediodekopledetransistoreneT 1 ogT 3 tilV inn 0Vog5Vfor0Vinngangsspenning.Result<strong>at</strong>eter<strong>at</strong>stigningstalletT1forV inn og{V inn iabsoluttverdiblirmindreenn0.5ogdempningendermedstrreenn6db.SpenningenepanodeneV inn og{V inn ervistsomfunksjonavFigur4.8:Fasesplitteren spenningenpaV foto igur4.9(a).Vedabrukelinerregresjonsanalysepakurvenemellom2og4VkommermanfremtiletstigningtallforVinn pa0.46,ogetstigningstallpa{0.41for{V inṅ Detbetyr<strong>at</strong>dempningenpafasesplitterensutgangsnodererasymmetrisk.NodenV inn harendempningpa6.8dB,ognoden{V inn harendempningpa7.8dB.EnavarsakenetilforskjellenidempningkanvreulikledningsevneforP-ogNtransistorene.Detfrertil<strong>at</strong>dediodekopledetransistoreneikkefardetsammespenningsfalletforsammestrm.Forinngangsspenningerover2Verfasesplitterenisterkinversjon,ogforinngangsspenningerlavereenn2Verkretsenimoder<strong>at</strong>ogsvakinversjon.Imoder<strong>at</strong>ogsvakinversjonerbandbreddenforkretsenmindreennisterkinversjon,pagrunnavstrrekapasitivelasterisvakinversjon.ItilleggtilC gb hartransistorenetoandrespenningsavhengigeparasittkapasitanser;kapasitansenemellomsubstr<strong>at</strong>etogdrain/sourceomradene,C db ogC sb .Dissekapasitanseneblirmindremed
Filtreneisensoren 27kendespenningpadrainellersourcenodene.Utifraparasittkapasitanseneerdetenfordelaholdefasesplitterenisterkinversjonforareduserebetydningenavparasittkapasitansene.54.54-Vinn3.5Spenning ut (V)32.521.510.5Vinn00 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Spenning inn (V)Figur4.9:V inn og{V inn somfunksjonavspenningenV fotoMalteverdierermarkertmedpunkterogsimulertemedheltruknelinjer.Simuleringeneergjortmedhspice.Forinngangsspenningerunder2Vvilmanfaenforvrengningavsignalet.Enforvrengningavsignaletvilgioverharmoniskefrekvenskomponenterisignalet,ogdetkanfretilmerstyoverknekkfrekvensen.Inngangsspenningenpakretsenbrderforikkeliggelavereenn2V.4.3.6 LavpasslteretForafaetltermedsammefasedreiningsomdetenkleallpasslteretmamanbrukeetandreordenslavpasslter.Filteretspolermaliggepadenreelleaksen,oglteretkanikkehanullpunkter.Dempningenfordetteandreordenslavpassltereter6dBvedknekkfrekvensen,ogdempningenkermed40dBperdekadeistoppbandet.Dengenerelleoverfringsfunksjonenforetandreordenslavpass-lterutennullpunkterergittved[16]:T (s) =s 2 +(! 0 =Q)s + ! 02MedpoleneisammepunktpadenreelleaksenblirQ =1/2,ogoverfringsfunksjonenkanreduserestil:! 02T (s) =(s + ! 0(4.4)) 2Fasekarakteristikkenogamplituderesponsenfordettelteretergittved: w(|w) =,2tan ,1 ; A(|w) = w2 0w 0 w 2 +w02! 2 0
28 Kapittel4IsilisiumkanmanutfradebetingelsenesomergittkonstruerelavpasslteretmedtoOTA{Cintegr<strong>at</strong>oreriserie.SomnevnterenavegenskapenevedOTA{Cintegr<strong>at</strong>orenmodularitet;ereOTA{Cintegr<strong>at</strong>orerkankoplesiserieogoverfringsfunksjonenforrekkenavintegr<strong>at</strong>orererlikproduktetavleddenes.OverfringsfunksjonenforenOTA{Cintegr<strong>at</strong>orer:T (s) =! 0Vinn,+Gm1,+C Gm1CVut4.4Forsterkereneiltrene(|!) = ,2tan ,1 !! 0s + ! 0derw 0 = G m =C (G m ertranskonduktansen).Medtoslikeintegr<strong>at</strong>oreriseriebliroverfringsfunksjonenforlteretlikoverfringsfunksjoneniligning(4.4).Lavpasslteretervistigur4.10.Figur4.10:LavpasslteretForutsetningenfor<strong>at</strong>overfringsfunksjonenforlteretigur4.10skalblilikfunksjonenforandreordensltereter<strong>at</strong>transkonduktanseneerlikeog<strong>at</strong>kondens<strong>at</strong>oreneerlike.Skillerkondens<strong>at</strong>orene,transkonduktanseneellerbeggedelersegfrahverandreiverdiidetoOTA{Cleddene,vilpolenefremdelesliggepadenrelleaksen,menamplituderesponsenogfasekarakteristikkenvilskillesegfraetandreordenslavpassltermedsammenfallendepolerpadenreelleaksen.Fasedreiningenforlteretergittved:Forsterkerenerdenmestkritiskebyggesteneniltrene.Kondens<strong>at</strong>orenekonstrueresmedtopolylagogvariasjoneneikapasitansenerunder1%forkondens<strong>at</strong>orermedsammeutleggsareal[4].Forsterkerenbyggerpaetdifferensieltparogstrmspeil.Transkonduktansenfordenneforsterkerenerlangtmindrestabilennverdienforkondens<strong>at</strong>orene.ForsterkerenkanogsaendreDC-verdienisignalet.TilfeldigevariasjoneriprosessparametrefrertilspredningitransistoreneskarakteristikkerogdetgirvariasjoneritranskonduktansenogDC-nivaetpaforsterkerensutgang.4.4.1 TranskonduktansforsterkerenIltreneerdetvalgtentypeforsterkerMeadkallerenwide-rangetranskonduktansforsterker.Denneforsterkerenharetdynamiskomradeutensterkebegrensninger,ogforsterkerenhartypiskenspenningsforsterkningover1000[9].Enhyspenningsforsterkningermedpaareduserefeilenmellominn-ogutgangnarforsterkerenerkopletmedneg<strong>at</strong>ivtilbakekoplingsomiOTA{Cltrene.Basisversjonenavwide-rangeforsterkerenbyggesmed9transistorer,mendetvilvreaktueltabrukeeretransistorerforaredusereavvikiDC-nivamellominn-ogutgang.Modikasjoneravforsterkerenerbeskrevetiavsnitt4.4.3.Forsterkerenervistigur4.11.Enavgrunnenetilavelgeenenkelforsterkererbegrensningerisensorensareal.Fotodetektorenogkondens<strong>at</strong>orenekreverenstordelavarealetogenkomplisertforsterkerblirforplasskrevende.
Filtreneisensoren 29VDDT5V {T3 T4 T6T1T2V+V B T BV utT7T8Figur4.11:Wide-rangetranskonduktansforsterkerMedenmeravansertforsterkerkanmanoppnahyerestabiltetfortranskonduktansenogmindrefeilspenninger.Desammefordelenekanoppnasvedaoperereisterkinversjon,mendetkereffektutviklingenogstrrelsenpakondens<strong>at</strong>orenevokserpagrunnavhyeretranskonduktans.4.4.2 TranskonduktansenForsterkerenstranskonduktansergittsomendringistrmmenutiforholdtilendringispenningeninn.Utfragur4.11erstrmmenutproporsjonalmedforspenningsstrmmen,I B .Transkonduktansenergittved[9]:G m = @I ut@V innIsvakinversjonerdeteneksponensiellsammenhengmellomg<strong>at</strong>e-sourcespenningenforentransistorogstrmmengjennomden.Strmmenvariereroverereordenerogtranskonduktansenkansettesinnenforetbredtspekteravverdieruten<strong>at</strong>deterndvendigaforandreutleggetforforsterkeren.Ifaseltereterdetderformuligabrukedetsammeutleggetforbeggeforsterkerne,ogreguleretranskonduktansenemedforspenningene.Deterikkemuligisterkinversjonsidenforspenningenherharmindreinnytelsep<strong>at</strong>ranskonduktansenogutleggenemamanipuleresforaoppnastoreforskjelleritranskonduktans.Mankanogsaendreutleggeneforsvakellermoder<strong>at</strong>inversjonforaredusereantalletforspenninger.Isvakinversjonkanmanfaenvariasjonistrmmengjennomtransistorenepaopptil20%fortransistorermedsammeutleggsarealogliketerminalspenninger[9],ogsidenG m erproporsjonalmedI B kanmanfaenlikestorvariasjonitranskonduktansen.Detvilpavirkeltrenesamplituderesponsogfasekarakteristikk.Isensorenerendringerifasekarakteristikkenmestkritisk.Endringavknekkfrekvensenharlitenbetydningforamplituderesponsenipassbandet,menvilforandrefasedreiningenmerkbart.Fasekarakteristikkenforltrenemavresaliksommuligforareduseresannsynlighetenfor<strong>at</strong>lavfrekventstyslipperigjennomsensoren.Virkningenavvariasjoneneitranskonduktansenforlavpass-ogfaselteretIfaseltereterdettranskonduktansenG m1 somharstrstinnytelsepaknekkfrekvensen,ogdermedforskjellenifaseiforholdtillavpasslteret.EnendringavG m2 keravviketifasekarakteristikkeniforholdtildetenkleallpasslteret,mendetteharikkebetydningforfasedreiningenipassbandet.
30 Kapittel4Lavpassltereteravhengigavtotranskonduktanserforafadenriktigefasedreiningen.Filteretstotalefasedreiningogdempningersummenavtoenklelavpassltreskarakteristikker.Detbetyr<strong>at</strong>endringeribeggetranskonduktansenevilpavirkefasekarakteristikkenipassbandet.4.4.3 EndringeravDC-nivaForskjelleriDC-nivaetforsignalenefrafaselteretoglavpasslteretpavirkerterskelenisensorenogkerfarenforfeildeteksjonersomskyldesstymedfrekvensinrhetenavdetpulsedelysets.DenviktigstearsakentilendringeriDC-nivaetervariasjoneritransistoreneskonduktanspagrunnavspredningiprosessparametreellerkanalforkortning.Medneg<strong>at</strong>ivtilbakekoplingfarmanogsaetavvikmellominn-ogutgang,avhengigavinngangsspenningenogforsterkningen.Avviketmellominn-ogutgangsomskyldesendeligforsterkningkanberegnesvedasepasammenhengenmellominn-ogutgangsspenningen.UtgangsspenningenforenforsterkermedspenningsforsterkningAergittsomVut = A(V + , V , ).Medneg<strong>at</strong>ivtilbakekoplingsettesV { likV ut ogV + likV inṅ DettegirflgendesammenhengmellomV ut ogV inn :V ut = A(V inn , V ut )=11+1=A V inn V inn1 , 1 AFeileniDC-nivaet,V inn /A,erneg<strong>at</strong>iv,omvendtproporsjonaltmedforsterkningenogproporsjonalmedV inn .Inngangsspenningeneforltreneliggerunder5Vogmedenforsterkningover1000blirfeilenpagrunnavdenneeffektenmindreenn5mV.Avvikmellominn-ogutgangsomflgeavEarlyeffektKanalforkortning,ogsakaltEarlyeffekt,erproporsjonalmedspenningsfalletdrain-sourcefortransistorenogomvendtproporsjonaltmedtransistorensnominellelengde.(setilleggA,side53)Vedasepahvilkestrmmersomyteriforsterkerenkanmanavgjrehvilketransistorersomermestuts<strong>at</strong>tforkanalforkortningoghvilkefeilspenningerdetvilgi.Nummereringenavtransistoreneianalysenrefererertilgur4.11.ForspenningsstrmmenI B fordelersegpaflgendem<strong>at</strong>emellomtransistorenevedneg<strong>at</strong>ivtilbakekopling.SpenningenVgs fortransistoreneT 1 ogT 2 erideeltsettlike,ogI B fordelesliktmellomT 1 ogT 2 .StrmmeniT 1 narutgangenvi<strong>at</strong>ransistoreneT 3 ,T 5 ,T 7 ogT 8 .DennestrmmenkallerjegI minus .StrmmeniT 2 kallerjegI pluss ogdennenarutgangenvi<strong>at</strong>ransistoreneT 4 ,T 6 ogT 8 .TransistoreneT3 ,T 4 ogT 7 erdiodekopletogharetlavtspenningsfalldrain-source.EarlyeffektenharmindrevirkningfordediodekopledetransistoreneennT 5 ,T 6 ogT 8 .ForT 6 ogT 8 erV ds avhengigavV inṅ UtgangenflgerV inn pagrunnavtilbakekoplingen,ogforlaveinngangsspenningervilI pluss kessometresult<strong>at</strong>avhyV ds paT 6 .PagrunnavkanalforkortningenforT6 farutgangenenpositivfeilspenning.ForhyeV inn kerI minus pagrunnavhyV dsogtilsvarendekanalforkortningforT 8 .Dettegirenneg<strong>at</strong>ivfeilspenning.AvhensyntilutgangskonduktansenogspenningsforsterkningenbrtransistoreneT6 ogT 8 vrelange.DetteredusererogsavirkningenavEarlyeffekten.Pavartestkretsertransistorene15 lange.T 5 hardrainkopletmotdendiodekopledetransistorenT 7 ogfarenhyspenningV ds .Result<strong>at</strong>etforT 5 erkanalforkortningsomkerstrmmenI minus oggirenneg<strong>at</strong>ivfeilspenningpautgangen.ForareduserespenningsfalletoverT 5 kanmansetteinnendiodekoplettransistormellomT 5 ogT 7 .SpenningsfalletoverfordelesdamellomT 5 ogdendiodekopledetransistoren.kningeniI minus
Filtreneisensoren 31reduserespagrunnavmindreEarlyeffektogavviketmellominnogutgangblirmindre.Ivarekretsererdetlagtinnendiodekopletp-transistor.Dendiodekopledetransistorenkallesgjerneen'Bensonmemorialdiode'ellerbareBensondiode.VDDT14T13T12T11T5T3T4T6V {T1T2V+V B T BV utT7T8T9T10Figur4.12:TranskonduktansforsterkermedkaskodestrmspeilEnannenteknikksomgirmegetgoderesult<strong>at</strong>ererabrukekaskodestrmspeil[1],somvistigur4.12.Utgangsimpedansenblirhyereforenforsterkermeddennetypenstrmspeil.DetbetyrhyerespenningsforsterkningoglavereDC-feiliforsterkeren.Earlyeffektenharmindrebetydningfortransistoreneistrmspeilenesidenspenningsfalletoverhverenkeltavtransistoreneerreduseres.Idenordinrewide-rangeforsterkerenkessrligIminus ,pagrunnavEarlyeffektforT 5 ,ogresultererienneg<strong>at</strong>ivfeilspenning.Dennefeilenvilmanikkehaienforsterkermedkaskodestrmspeil.Ulempenmeddenneforsterkerener<strong>at</strong>detdynamiskeomradetreduserespagrunnavtodiodekopledetransistoreroverinngangstransistorene.FeiliDC-nivaIogmed<strong>at</strong>forsterkerneiltreneerkonstruertmedtankepaareduserefeilspenningersomskyldesEarly-effekt,vildefeileneviseriDC-nivastortsettvreresult<strong>at</strong>avvariasjoneriprosessparametre.LavpasslteretskaliutgangspunktethaetlavereDC-nivaennfaselteretpagrunnavenannenskaleringavutgangstransistoreneilavpasslteretsforsterkerneennifaselteretsforsterkere.Ideenbakskaleringenavtransistoreneer<strong>at</strong>lavpasslteretsutgangskalliggetilstrekkeligunderfaselteretsnarsensorenerinaktivellerslaspa,slik<strong>at</strong>utgangenfrahysteresekompar<strong>at</strong>orenliggerlav.Ipraksisbetyrdet<strong>at</strong>DC-nivaetisignaletfralavpasslteretmaliggeundernedreomslagspunktforhysteresen.Detbetyr<strong>at</strong>sensorensterskelker;styenisignalomradetmahaenstrreamplitudeforafakompar<strong>at</strong>orentilaskiftetilstand.Feilspenningenilavpassltereterlagtinnvedakedenneg<strong>at</strong>ivestrmmen,ogdetergjortvedaendreutgangstransistorenesstrrelse.IforsterkerenmedBenson-diodegjelderdettetransistorenT8 derbreddenerkt.Utgangstransistoreneifaseltereter10 bredeoglengdener15 og16 forhenholdsvisPogNtransistoren(T 6 ogT 8 ).Lengdenskullevrtdensammeforbegge
32 Kapittel4transistorene,menpagrunnavutleggsfeilerPtransistorenkortere.Forskjellenersaliten<strong>at</strong>denikkeharnoenpraktiskbetydning.IforsterkerenmedkaskodestrmspeilharbadePogNtransistoreneiutgangstrinnetenlengdepa10.Breddener10forNtransistoreneT 8 ogT 10 ,og8 forPtransistoreneT 6 ogT 11 .1.71.91.651.851.61.81.551.75Respons (V)1.51.451.4Respons (V)1.71.651.61.35DC-komponent1.55DC-komponent1.31.51.251.451.20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4(a)1.40 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4Figur4.13:MalingavDC-nivaforlavpass-ogfaselteretMalingeneigurenevisertoeksemplerpahvordanDC-nivaetkanvreetterfaselteret-oglavpass-lteret.DeheltruknelinjeneerutgangenfrafaselteretogdestipledeutgangenfralavpasslteretoglinjenmerketDC-komponentmarkererDC-nivaetisignaletfrafaselteret.Igur(a)erdetmestekstremeforholdetavde12brikkenedetermaltpavist.HerliggerDC-nivaetforlavpasslteret300mVoverfaselteretsDC-niva.Fordetsettetmedforspenningersomervalgtveddennemalingenvirkerikkedensensorenltrenesitteri.Igur(b)erdetmindreenn10mVsomskillerDC-nivaetpaltrenesutganger.Forspenningenevedmalingenevar0.7VforG m1 og1.1VforG m2 .Signalethaddeenduty-cyclepa25%ogenfrekvenspa35khz.EksemplerpavariasjoneniDC-nivaforfase-oglavpasslteretervistigur4.13.Igur(a)erDC-komponentensvrtlavforfaselteret,ogidettetilfelleterinngangsspenningenpalavpassdelenavfaselteretsalav<strong>at</strong>mannrmersegytterkantenavforsterkerensdynamiskeomrade,ogresult<strong>at</strong>etblirenbetydeligDC-feil.Malingenigur(b)viserenavdebedreresult<strong>at</strong>enefrade12brikkene.ForskjelleniDC-nivaforltreisammesensorliggerinnenfor 100mV.4.5 OppsummeringUtgangspunktetforakombinereetlavpasslterogetfasekorrigerendeltersomher,eraredusereforskjellenifasemellomdetlavpassltrerteogdetultrertesignalettiletminimum.VariasjoneriprosessparametrefrertilendringeravltreneskarakteristikkerogpavirkerDC-nivaetisignalene.Endringavfasedreiningenfordetoltrenereduserersensorensimmunitetmotlavfrekventsty,ogendringeravDC-nivaetredusererterskelen.VedainnfreenBensondiodeiforsterkerenellervedabrukekaskodekopledestrmspeilkanfeilspenningerreduseres.UtleggetforforsterkerenmedBensondiodetarminstplass,ogarealetforsensorenskalvresalitesomoverhodetmulig.(b)
Filtreneisensoren 33Etavdesvakepunkteneilterdelenavsensorenerfasesplitteren.Fasesplitterenharenhydempning,ogsignaletfrafotoreseptorenhalveresfrdetkommertilltrene.Detbetyr<strong>at</strong>fotodetektorenmavrerel<strong>at</strong>ivtstor.HvismangreieraelimineredempningenkanmanbrukeenmindrefotodetektorKretsenredusererogsaDC-nivaetpalavpasslteretsinngangogfrertil<strong>at</strong>forsterkereneernrytterkantenavsittdynamiskeomrade.DetburdederforvrtbruktP-typeforsterkereilavpasslteretogilavpassdelenavfaselteretfremforN-typeforsterkere.Manvildaunngadennedredelenavforsterkerenesdynamiskeomrade,hvorforsterkerenmedneg<strong>at</strong>ivtilbakekoplingikkeerengodspenningsflger.Nardetgjeldervariasjoneritranskonduktansenpavirkerdetsrligltrenesfasekarakteristikk.Derforbrknekkfrekvensenforltreneleggesover1kHzogkanskjesahytsom10kHz.Frekvensenfordetpulsedelyseter35kHz,ogmedetandreordenslavpasslterharmanfremdelesgodmarginmellomltrertogultrertsignalveddennefrekvensen.Fordelenevedavelgeenhyknekkfrekvenser<strong>at</strong>denlavfrekventedelenavstyenhavneridendelenavfrekvensbandethvorfasedreiningenerlitenogforskjellenmellomltrenebegrensestiletminimum.Begrensningeribandbreddeogforvrengningavstyenblirmindrekritiskfordilavpass-lterettalerstrreamplituderistyenfrforvrengningenblirmerkbarogbandbreddenreduserttiletkritiskniva.Enhyknekkfrekvensvilogsagimindrekondens<strong>at</strong>orer.Arealetforsensorenblirmindreogproduksjonskostnadenesynker.Forspenningsstrmmenkanogsareduseresogeffektutviklingenblirmindre.Detteerenstorfordelib<strong>at</strong>teridrevneapplikasjoner.
34 Kapittel4
Kapittel5SensorenMedltreneogfotoreseptorenefr<strong>at</strong>idligerekapitlerharmannestenallebyggestenenetilsensoren.Detsomnamanglererenkompar<strong>at</strong>ormedhysterese.Frstedelavdettekapitteletpresenterereteksempelpaenslikkompar<strong>at</strong>or,ogenkretsforaregulerekompar<strong>at</strong>orenshysterese.Isistedelavkapitteletblirensensormeddennekompar<strong>at</strong>oren,ltreneogenfotodetektorbeskrevettidligere,testetmedulikeblandingerstyogsignal.Testeneviser<strong>at</strong>sensorenikkeharproblemermedahandterestysomskyldesvanligrombelysning.5.1 InnledningDensistebyggeklossenisensorenerenkompar<strong>at</strong>ormedhysterese.Somnevntikapittel2trengermanenkompar<strong>at</strong>ormedhystereseforamaskerebortstymedlavamplituderundtfrekvensenfordetpulsedelyset.Styenkanforeksempelvrelekkasjelys.Enkompar<strong>at</strong>ormedfasthysteresekanikkebrukesisensorenpagrunnavkompresjonenifotoreseptorene.Erhystereseninnstiltforenbestemtbakgrunnsbelysningblirterskleneforstoreellerforsmanarbelysningenendres.Hysteresenmaderforreguleresutfr<strong>at</strong>otalbelysningen.5.2 Kompar<strong>at</strong>ormedhystereseKompar<strong>at</strong>orenmedhystereseerhentetfraAllen&Holberg'sbok\<strong>CMOS</strong>AnalogCircuitDesign"[1,kap7.4],hvorforf<strong>at</strong>terneharanalysertkretsenmedtankepaoperasjonisterkinversjon.Kretsenervistigur5.1,ogdersommanserbortfr<strong>at</strong>ransistoreneT 10 ogT 11 erdenidentiskmedwide-rangetranskonduktansforsterkeren.Iutgangspunktetskaldetderforvremuligabrukekompar<strong>at</strong>orenisvakinversjon.Sprsmaleteromdetlarseggjreafaenlavnokhystereseisvakinversjon,ogommankankontrollerehysteresenmedforspenningsstrmmenisvakinversjon.5.2.1 Kompar<strong>at</strong>orenKretsensvirkem<strong>at</strong>ekananalyseresuten<strong>at</strong>ahensyntilsterkellersvakinversjonvedasepastrmmenesomyterideuliketransistorene.Utfrastrmmenekang<strong>at</strong>espenningeneforinngangstransistoreneoghysteresenberegnesforengittforspenningsstrmogstrmmeneideinternetilbake-35
36 Kapittel5koplingene.IanalysenserjegbortfraT 5 tilT 8 somutgjrkompar<strong>at</strong>orensutgangstrinn.Nummereringenavtransistorenerefererertilgur5.1.Jegantar<strong>at</strong>g<strong>at</strong>efordeneneavinngangstransistoreneforeksempelT 1 ,erkoplettilenreferansespenningVreḟ Denandreinngangstransistorensg<strong>at</strong>e,T 2 ,koplestilenvariabelspenningV 2 .Ifrstedelavanalysenantarjegvidere<strong>at</strong>V 2 begynnerved0Vogstigertil5V,og<strong>at</strong>nodenmellomT 2 ogT 4 liggerlavognodenmellomT 1 ogT 3 liggerhy.VDDT3 T10 T11 T4T5T6V refT1VBTBT2V 2V utT7T8Figur5.1:Kompar<strong>at</strong>ormedhystereseSalengeV ref naerhyereennV 2 yterheleforspenningsstrmmenI B iT 1 ogT 3 ,ogT 2 kanbetraktessomstengt.StrmmenI 10 itransistorenT 10 ledestilnodenmellomT 2 ogT 4 ,ogsidendetikkeyterstrmiT 2 underdeforutsetningenesomergitt,ladesdennenodentilenhyspenning.NarV 2 stigermotV ref vilenkendedelavI B yteiT 2 ,ogdettefortsettertilstrmmenitransistorenerlikI 10 .LikeoverdettepunktetfallerspenningenpanodenmellomT 2 ogT 4 ogspenningenpanodenmellomT 1 ogT 3 stiger;Result<strong>at</strong>etblir<strong>at</strong>kompar<strong>at</strong>orenskiftertilstand.StrmmeneI 1 ogI 2veddettepunktetergittavI B ogforholdetmellomT 3 ogT 10 1:ogvidere:I 10 = I 1(W=L) 10(W=L) 3ogdetgirI 1 ogI 2 forstigendeV 2 :I B = I 1 + I 10I BI 1 =(5.1)1+ (W=L)10(W=L) 3I 2 = I B , I 1 (5.2)MedstrmmeneI 1 ogI 2 itransistoreneT 1 ogT 2 gittkanmanregneutg<strong>at</strong>espenningenforT 2narI 2 erlikI 10 .V 2 liggeridettetilfelletoverV ref ogkallesvreomslagsspenningV TR+ 2.Frjeg1 (W=L)X erforholdetmellombreddenoglengdenfortransistorenT X .2DeterenbegrensningiskaleringenavT 3 ogT 10 ,ogjegskalkommetilbaketilhvilkekravsomstillestiltransistorenesstrrelsefor<strong>at</strong>kompar<strong>at</strong>orenskalhahysterese.Herantarjeg<strong>at</strong>kraveteroppfylt.
Sensoren 37viserhvordanV TR+ beregnesforsterkogsvakinversjon,skaljegpresentereanalysenfortilfelletderV 2 begynnerved5Vogfallertil0V.MedV ref lavereennV 2 liggernodenmellomT 2 ogT 4 lavognodenmellomT 1 ogT 3 liggerhy.NarV ref erlavereennV 2 yterI B iT 2 .StrmmenI 11 fr<strong>at</strong>ransistorenT 11 ledestilnodenmellomT 1 ogT 3 ;nodenladestilenhyspenningsalengeT 3 erstengt.NarV 2 synkermotV ref yterenkendedelavI B iT 1 ,ogdettefortsettertilI 1 erlikI 11 .SynkerV 2 ytterligereskifterkompar<strong>at</strong>orentilstandogheleI B vilyteiT 1 .StrmmeneI 1 ogI 2 veddennespenningenergittavI B ogforholdetmellomT 4 ogT 11 :I 11 = I 2(W=L) 11(W=L) 4og:I B = I 2 + I 11ogdetgirI 1 ogI 2 forfallendeV 2 :I BI 2 =(5.3)1+ (W=L)11(W=L) 4I 1 = I B , I 2 (5.4)MedstrmmeneforfallendeogstigendeV 2 kanmanregneutdennedreomslagsspenningenV TR{ .DennespenningenvilliggeunderV reḟUtfrastrmmeneitransistoreneT 1 ogT 2 forstigendeellerfallendeV 2 kang<strong>at</strong>e-sourcespenningeneforinngangstransistoreneregnesut.Forskjellenmellomg<strong>at</strong>espenningeneviserhvormyeV2liggeroverellerunderV ref ,ogomslagsspenningeneV TR+ ogV TR{ ergittsomdifferansenmellomg<strong>at</strong>espenningeneforT 1 ogT 2 plussreferansespenningenV ref .Antarman<strong>at</strong>kompar<strong>at</strong>orenoperereristerkinversjonog<strong>at</strong>inngangstransistoreneerimetning,kanmannneg<strong>at</strong>e-sourcespenningenevedabrukeflgendefrsteordenstilnrmingforsammenhengenmellomdrain-sourcestrmmenIds ogg<strong>at</strong>e-sourcespenningenV gs [3]:I ds = 2 (V gs , V t ) 2derV t erterskelspenningenog ertransistorforsterkningengittavmobilitetenforladningeneikanalen;parametreforoksidetunderg<strong>at</strong>e;transistorensbreddeoglengde.Fradenneligningenerg<strong>at</strong>espenningenfortransistorengittved:V gs =s2I ds + V t (5.5)SettermaninnverdieneforI 1 ,I 2 ogparametreneforT 1 ogT 2 iligning(5.5)nnermang<strong>at</strong>e-sourcespenningeneforinngangstransistorene(V gs1 forI 1 ogV gs2 forI 2 ).OmslagsspenningenernagittsomdifferansenmellomV gs1 ogV gs2 plussreferansespenningenV ref :V TR = V gs2 , V gs1 + V ref (5.6)Vedoperasjonisvakinversjonantarjegogsa<strong>at</strong>T 1 ogT 2 erimetning.Foranneg<strong>at</strong>e-sourcespenningenforinngangstransistorenetarjegutgangspunktiligning(A.1)fr<strong>at</strong>illeggA,ogreferererg<strong>at</strong>eogdrainspenningeneV g ogV d tilsourcespenningen:I ds = I 0 e qV gskT (1 , e, qV dskT )
38 Kapittel5Ertransistoreneimetningvileksponensialleddetiparentesen,e , qV dskT ,gamotnullforhyedrainsourcespenningerogmankansebortfradetteleddetvedenfrsteordenstilnrming.VedagjredennetilnrmingenoglseligningenmedhensynpaV gs farmanflgendeuttrykk:V gs = (ln I ds , ln I 0 )kT(5.7)qFraligning(5.7)kanmansaregneutg<strong>at</strong>espenningenefortransistoreneT 1 ogT 2 ogvedhjelpavligning(5.6)beregneforhvilkespenningerkompar<strong>at</strong>orenvilskiftetilstand.TransistoreneT 5 tilT 8 utgjrkompar<strong>at</strong>orensutgangstrinn.Utgangstrinnetkerkompar<strong>at</strong>orensutgangsimpedansogpagrunnavforsterkningenitrinnetsvingerutgangenfra0til5VnarspenningenepanodenmellomT1 ogT 3 ognodenmellomT 2 ogT 4 skifter.ForspenningstrmmensogskaleringensbetydningforhysteresenUtfraanalysenavkretsenerdetklart<strong>at</strong>badeforspenningsstrmmenogforholdetmellomT 3 ogT 10 ogforholdetmellomT 4 ogT 11 ermedpaabestemmehysteresen.T 3 ogT 10 sammenmedI BavgjrhvorV TR+ ligger,ogI B sammenmedT 4 ogT 11 bestemmerhvorV TR{ ligger.HysteresenkanderforgjresasymmetriskiforholdtilV ref vedasjongleremedforholdetmellomtransistoreneidetotilbakekoplingene.1.5Hysterese (V)10.502x 10 -51.51Forspenningsstraum (A)0.500246810Forholdet mellom transistoreneFigur5.2:BeregnethystereseisterkinversjonFigurenviserberegnethysteresesomfunksjonavI B ogforholdetmellomtransistoreneitilbakekoplingen.Strmmenervariertfra1Atil25Aogforholdetmellomtransistorenefra1til10.Fl<strong>at</strong>enerberegnetutfraligning(5.8). ers<strong>at</strong>ttil42.5A=V 2 [1].DeterbegrensningeriskaleringenavT 10 iforholdtilT 3 .Enskaleringavdetotransistorenesomliggerutenfordennegrensengjr<strong>at</strong>kompar<strong>at</strong>orenikkefarhysterese.ForannedennegrensenantarjegstigendeV 2 ogbrukerligningene(5.1),(5.2)og(5.6).ForafahysteresemaV TR+ liggehyereennV ref .Detbetyrigjen<strong>at</strong>V gs2 , V gs1 iligning(5.6)mavrepositivogdermedmaI 2 vrestrreennI 1 .Kombinerermandettekravetmedligning(5.1)kanmannnegrensenforforholdetmellomtransistorenepaflgendem<strong>at</strong>e:I 2 > I 1
Sensoren 39I B , I 1 > I 1ogutfradennesammenhengenfarman:I B >2I B1+ (W=L) 10(W=L) 3(W=L) 10(W=L) 3> 10.20.180.160.14Hysterese (V)0.120.10.080.060.040.0201 2 3 4 5 6 7 8 9 10Forholdet mellom transistoreneFigur5.3:BeregnethystereseisvakinversjonFigurenviserberegnethysteresesomfunksjonavI Ḃ Kurvenerberegnetutfraligning(5.9)der ers<strong>at</strong>ttil0.6pagrunnlagavmalingenigurA.1side54.GrensenforskaleringenavT 11 iforholdtilT 4 nnermanvedaflgesammeargumentasjonsrekke,menidettetilfelletmaI 1 vrestrreennI 2 .Ogdannerman<strong>at</strong>strrelseneforT 11 ogT 4 mavreslik<strong>at</strong>forholdetmellomdemerover1.Dennebegrensningengjelderogsavedoperasjonisvakinversjon.Mankanogsaargumentereforforholdetmellomtransistorenevedasepapositivogneg<strong>at</strong>ivtilbakekoplingikretsen.Blirforholdetmellomtransistorenemindreenn1erdenpositivetilbakekoplingenikretsenmindreenndenneg<strong>at</strong>iveogtotaltsettertilbakekoplingendaneg<strong>at</strong>iv.Detbetyr<strong>at</strong>manikkekanfahysteresefordinettotilbakekoplingikretsenmavrepositivhviskretsenskalhahysterese.ForafanettopositivtilbakekoplingmaT 10 /T 3 ogT 11 /T 4 vrestrreenn1.Igur5.2erhysteresenvistsomfunksjonavforspenningsstrmogforholdetmellomtransistorene.Iberegningeneharjegant<strong>at</strong>t<strong>at</strong>T10 /T 3 erlikT 11 /T 4 og<strong>at</strong>inngangstransistoreneharsammebreddeogsammelengdeog<strong>at</strong>terskelspenningeneogharsammeverdiforT 1 ogT 2 .MeddenevnteforutsetningenevilV TR{ ogV TR+ liggesymmetriskomV ref oghysteresenergittved2(V TR+ ,V ref )eller2(V TR, , V ref ).ForaberegnehysteresenholderdetderforaregneutstrmmeneI 1 ogI 2 forstigendeellerfallendeV 2 pagrunnavsymmetrien.Hysteresenisterkinversjonkanberegnesutfra:VHYST = 2s2I B0@q(W=L) 10(W=L) 3, 1q1+ (W=L) 10(W=L) 31A (5.8)
40 Kapittel5Forengittstrmvilenprosentvisendringavskaleringenavtransistorenegienstrrevariasjonihysteresenennentilsvarendeprosentvisendringistrmmenrundtreferansenforengittskalering.Beregnedeverdierforhysteresenisvakinversjonervistigur5.3.Betingelsenejegs<strong>at</strong>tefortransistorenesstrrelseforsterkinversjongjelderogsaher,oghysteresenberegnesettertilsvarendefremgangsm<strong>at</strong>esomforsterkinversjon.Isvakinversjonbliruttrykketforhysteresen:VHYST 2kT (W=L)10=q ln (W=L) 3(5.9)Fradetteuttrykketgardetfrem<strong>at</strong>I B ikkeharnoeninnytelsepahysteresenisvakinversjonutfraenfrsteordenstilnrming.Hysteresenisvakinversjonerkunavhengigavskaleringen.Medtankepasensorenerdennekompar<strong>at</strong>orenderforlite<strong>at</strong>traktivsidenhysteresenskalendresiforholdtiltotalbelysningen,ogdetvillevren<strong>at</strong>urligagjredettevedaregulereI B .Detbetyr<strong>at</strong>kompar<strong>at</strong>orenmaoperereisterkinversjon,somfrertil<strong>at</strong>effektutviklingenker.Malinger554.54.5443.53.5Spenning ut32.52VTR+Spenning ut32.52VTR-VTR-VTR+1.51.5110.50.502 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3Spenning inn02 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3Spenning inn(a)Kompar<strong>at</strong>orenshystereseisvakinversjon(b)Kompar<strong>at</strong>orenshystereseisterkinversjonFigur5.4:Kompar<strong>at</strong>orenshystereseisvakogsterkinversjonFigurenvisermalingeravkompar<strong>at</strong>orenshystereseisvakogsterkinversjon.Malingeneigur(a)viserhysteresenisvakinversjon.Kurvenemarkertmedpunkterermalingerutfrtmed0.7Vforspenning.Forspenningenformalingenevistmedheltruknelinjerer0.9V.Figur(b)visermalingeravhysteresenisterkinversjon.Forspenningenformalingenmarkertmedstipledelinjerer1.3V,ogvedmalingenmarkertmedheltrukketlinjeerforspenningen1.5V.Utfraanalysenskalforspenningenikkehanoeninnvirkningpahysteresennarkompar<strong>at</strong>orenopereresisvakinversjon.Malingeneigur5.4bekrefterresult<strong>at</strong>etavanalysen.Forspenningenfordetomalingenesomervistigur(a)er0.7Vog0.9V,ogdeterikkenoensynligforskjellikurvenesforlpfordetoforspenningene.Figur5.4(b)visermalingerforsterkinversjon,ogherserman<strong>at</strong>forspenningenpavikerhysteresen.Detokurvenevisermalingermed1.3Vforspenningog1.5Vforspenning.TransistoreneT 3 ogT 10 (T 4 ogT 11 )erhenholdsvis6 og12.Beggetransistoreneer6 lange.
Sensoren 415.2.2 Regul<strong>at</strong>orenIdeenmeddenneregul<strong>at</strong>orenerajusterehysteresenvedakeellerreduserekompar<strong>at</strong>orensforspenningsstrmsomenfunksjonavtotalbelysningen.Arsakentil<strong>at</strong>hysteresenmareguleresliggerikompresjonenavsignaletifotoreseptoren.Somvistikapittel3erenavsideeffekteneavdenulinerekonverteringavfotostrmmen,<strong>at</strong>detdetektertesignaletforengittlyskildefarenmindreamplitudemedkendetotalbelysning.Detbetyr<strong>at</strong>hysteresenmareduseresmedstigendebakgrunnsbelysningogkesmedavtagendebakgrunnsbelysning.Regul<strong>at</strong>orenbestaravetOTA{ClavpassltersomgirDC-komponentenogdenlavfrekventedelenavsignaletfrafotonoden.Iprinsippetkunnedettesignaletvrtbrukttilaregulereforspenningsstrmmendirekte,menvariasjoneneistyenkangiforkraftigeAC-komponenterogetforhytDC-niva.ForaskalereAC-komponentenistrmmenfraregul<strong>at</strong>orenkanmanforeksempelbrukeenenkelkorrel<strong>at</strong>or.Denenklekorrel<strong>at</strong>orengirenstrmutsomerskalertiforholdtilsamsvaretmellomvariasjonenitoinngangsstrmmer.Isvakinversjonerutgangsstrmmengittpaflgendem<strong>at</strong>e[10]:I ut =I 1 I 2I 1 + I 2Iregul<strong>at</strong>orenkanI 1 foreksempelvrestrmmenstyrtavlteret,ogI 2 strmmenmanskalerermed,I REG .Kretsenervistigur5.5ogtransistoreneT 1 ,T 2 ogT 3 utgjrkorrel<strong>at</strong>oren.I REG speilesviaT 3ogOTA{Clteretstyrerstrmmenikorrel<strong>at</strong>orenvi<strong>at</strong>ransistorenT 1 .{Vinn,+Gm1 CFr<strong>at</strong>rekkforlikestrmV DDT2T1V DDI REGT3ForspenningstrmT6T7T4T5Figur5.5:Regul<strong>at</strong>orenforstrmmentilkompar<strong>at</strong>orenmedhystereseStrmmenfrakorrel<strong>at</strong>orenspeilestilkompar<strong>at</strong>orenvi<strong>at</strong>ransistoreneT 4 ogT 5 ,derT 5 erkopletiparallellmedforspenningstransistoren,T B ,ikompar<strong>at</strong>oren(gur5.1).Inngangentillavpassltereterkoplettil{V inn nodenfrafasesplitterenforafadenriktigepolaritetenpasignaletiforholdtilkorrel<strong>at</strong>oren.VedhjelpavtransistoreneT 6 ogT 7 kanmanredusereDC-komponentenistrmmenfrakorrel<strong>at</strong>oren.5.3 SensorensoppbyggningMedkompar<strong>at</strong>orenbeskrevethersamtltreneogenavfotodetektorenefr<strong>at</strong>idligerekapitlerkanmansettesammenensensorsomerioverensstemmelsemedspesikasjonene.Blokkskjemaforsensorenervistigur5.6.
42 Kapittel5Fototransistor& FasespiltterFasefilter2.ordensLavpassRegul<strong>at</strong>orfor hystereseKompar<strong>at</strong>orm/hystereseFigur5.6:SkisseavsensorenTestkretseninneholdertosensorer.Ensensorhvorforsterkereneiltreneharkaskodestrmspeil,ogenhvorforsterkereneharBensondiode.IfotoreseptorenevalgtejegabrukePNPfototransistorerpagrunnavdempningenifasesplitteren.Fototransistoreneer4042og6656,ogbeggefototransistorenehartoemitter-diffusjoner.TestenesompresentereshererutfrtpaversjonenavsensorenhvordeterbruktforsterkeremedBensondiodefordideterenutleggsfeilidenandresensoren.Denneutleggsfeilengjr<strong>at</strong>faselteretikkefardeforspenningerdetskalha,ogdeterikkemuligafadennesensorentilavirkesomforventet.Ibeggesensoreneerdetmuligamalespenningenepaflgendepunkter:nodeneetterfasesplitteren,Vinn og{V inn ,utgangenfralavpasslteret,utgangenfrafaselteretogutgangenfrakompar<strong>at</strong>oren.Figur5.7visermalingerfr<strong>at</strong>reavpunktene:utgangenefrafaselteret,lavpasslteretogkompar<strong>at</strong>oren.Malingenvisersensorensresponsforenlyskildepulsetmedenfrekvenspa35kHz.54.543.5Respons (V)32.521.510.500 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid (s)x 10 -4Figur5.7:SensorensresponsutenbakgrunnslysMalingenidennegurenvisersensorensresponsforenpulsetlyskilde.Frekvensenforlyskildener35kHzogsignaleterikkeblandetannetlys.Denforsinkelsenkompar<strong>at</strong>orensutganghariforholdtilfaselteretsutgangskyldeshysteresen.Foranneuthvordankretsenreagererpaulikeformerforstyharjegblandetsignalpulsenemedstyavulikeslag.Malingerergjortmedskrivebordslampesom'stykilde'ogmedenlavfrekventsagtannoverlagretsignalpulsene.
Sensoren 435.3.1 StyfraskrivebordslampeLysutbyttefralyskildervitildagligomgirossmedharensvakvariasjoniintensitetensomflger50Hz'enpanettet.Forvareynevillysetfraenlampemedlysrrellerengldelampevrekonstantistyrke.Vedamalelysetfraengldelampeelleretlysrrmedfotoreseptorenisensoren,serman<strong>at</strong>variasjoneniintensitetharenformsomliggernropptilenlikerettet50Hzsinus.Malingenigur5.8(a)viservariasjoneniintensitetforetlysrr.1.751.641.74Fasefilter1.621.6Fasefilter1.731.58Respons (V)1.721.711.7LavpassRespons (V)1.561.541.521.5Lavpass1.481.691.461.680 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05Tid(s)(a)Styfralysrrmaltetterlavpasslteretogfase-lteret1.440 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Tid(s)x 10 -4(b)SignaletfradenpulsedelysdiodenetterfaselteretsammenmedutgangenfralavpasslteretFigur5.8:MalingpasensorenmedskrivebordslampesomstykildeFigurenevisermalingergjortpasensorenmedenskrivebordslampesomstykilde.Lampenerplassert30cmoverbrikken.Figur(a)viserdetdetektertesignaletforlampenetterfaselteretoglavpasslteret,ogsignaletharenformsomklartminneromenlikerettetsinus.Imalingenigur(b)erenlysdiodehengtopp5cmoverkretsenogresponsenmaltetterfaselteretoglavpasslteret.Ensvakkomponentavsignaletkommerigjennomlavpasslteret,ogavgur(b)serman<strong>at</strong>dennekomponentenerforsinketnoeiforholdtilsignaletfrafaselteret.Forsinkelsenskyldesforskjellenifasedreiningforltrene.Forspenningenevedmalingenevar0.76Vforlavpasslteret,1Vforfaselterogforkompar<strong>at</strong>oren1.2V.Knekkfrekvensenforltreneerca1kHz.Styenfraenlikerettersinusinneholderoverharmoniskefrekvenskomponentersomharbetydningforvalgavknekkfrekvensforltrene.AmplitudenfordeoverharmoniskekomponentenekanmanregneutvedasepaFourierkoefsientenefordetlikerettedesinussignalet.Fourierrekkenforetperiodisksignals(t)ergittved[8]:a 1X0s(t) =2 + (a n cos n!t + b n sin n!t)n=1derkoefsienteneforenlikerettetsinuss(t) =Ajsin!tjer:b n = 2 Z 0Z s(t)sin 2n!tdt =0a 0 = 2A 0sin !tdt = 4A
44 Kapittel5Z a n = 2 s(t)cos2n!tdt 01 4A=1 , 4n 2 Dengrunnharmoniskefrekvensenidetlikerettedesignaleter100Hz,ogsettermanA = 1blirDC-komponenten4= =1:27ogdevrigekoefsientene:Frekvenskomponent Hz KoefsientenProsentavsignaletsamplitudeGrunnfrekvensen 100 ,4=3 41.9%1.overharmoniske 200 ,4=15 8.4%2.overharmoniske 300 ,4=35 3.6%3.overharmoniske 400 ,4=63 2%Avtabellengardetfrem<strong>at</strong>bidragetfradeoverharmoniskefrekvenseneerreduserttilunder4%avdetlikerettedesignaletsamplitudealleredevedtregangerdengrunnharmoniskefrekvensen.Hovedtyngdenavbidragetfradennestyenliggerderforinnenforlavpasslteretspassbandetvedavelgeenknekkfrekvensrundt1kHz.Medenlavereknekkfrekvensvilmestepartenavstyenfremdelesliggeipassbandet,menfasedreiningenvilgjreseggjeldendeogdetkanfretildarligeresignal/styforholdpagrunnavulikfasedreiningifaselteretoglavpasslteret.Styenfraenskrivebordslampemedlysrrervistigur5.8(a).Malingenvisersignaletetterfase-oglavpasslteret,ogamplitudenforstyeneridettetilfellet25mV.Igur5.8(b)ersignaletforenpulsetlysdiodeetterfaselteretvistsammenmedsignaletetterlavpasslteret.Veddennemalingenerdetmuligaseenlitenvariasjonisignaletfralavpasslteret.Detkanskyldes<strong>at</strong>knekkfrekvensenveddennemalingenersapasshy<strong>at</strong>noesignaletforlysdiodenslipperigjennomlavpasslteret.Forsinkelsenpalavpasslteretseruttilavrestrreennforfaselteret.Lysdiodenerherhengtoverkretsenslik<strong>at</strong>signaletfralysdiodenblandersegmedlysetfralampen.Selvmedensapasskraftigstysomveddennemalingengarikkesignalpulsertapt.5.3.2 BlandingavsagtannogsignalpulserResponsenforsensorensltrevedenblandingavensagtannogsignalpulserervistigur5.9(a)og(b).Figur(a)viserstyenetterlavpasslteret,ogsommanserharresponsenfordennestyenenvisslikhetmeddenresponsenmanfarforskrivebordslampen(gur5.8(a)).Periodenisagtannsignaleter5msogdetgirenfrekvenspa200Hz,ogdetgirengrunnharmoniskfrekvenspa400Hz.Idennemalingenerknekkfrekvensenredusertnoeiforholdtilmalingenmedskrivebordslampen.Figur5.9(b)viseretutsnittavsignaletfrafase-oglavpasslteretveddetpunktetderstysignaletharentopp.Amplitudenforsignaletfraallpasslteretkerlikeetter<strong>at</strong>styenharpassertdenlavesteintensiteten ,ogintensitetenistysignaletigjenstiger.DC-verdienendresogsaiforholdtillavpasslteret.Detkanskyldesfaselteretssprangrespons.Result<strong>at</strong>etavdenneendringeniamplitudegirenendringavbreddenpapulseneetterkompar<strong>at</strong>oren.Denneeffektenervistigur5.10.35.4 OppsummeringDenkompar<strong>at</strong>orensombleprvdikretsenvistesegavreenskuffelse.Fordetfrstelotdetsegikkegjreaendrehysteresenisvakinversjonvedaregulereforspenningsstrmmen,ogmed3LavintensitetgirhyspenningpanodenVfotȯ
Sensoren 451.6851.851.681.81.675Respons (V)1.671.6651.66Respons (V)1.751.71.651.6551.651.61.6450 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01Tid (s)(a)Signaletutfralavpasslteret1.550 0.2 0.4 0.6 0.8 1Tid (s)x 10 -3(b)Utsnittavsignaletfralavpass-ogfaselteretFigur5.9:Filtrenesresponsmeden200HzsagtannsomstykildeMalingeneigureneergjortmedenblandingavensagtannmedfrekvens200Hzogsignalpulsermedfrekvens35kHz.Signaleneerblandetvedasendedemigjennomsammelysdiode.Figur(a)viserresponsenforlavpasslteret.Igur(b)erresposenforlavpasslteretogfaselteretrundtettoppunktistysignalet,somforeksempelved5msigur(a),vist.Forspenningeneeridettetilfellet0.65Vforlavpasslteret,1Vforfaselteretog0.9Vforkompar<strong>at</strong>oren.denskaleringenjegvalgtefortransistoreneitilbakekoplingeneikompar<strong>at</strong>orenmaforspenningsstrmmenendresereAforafaensynligendringavhysteresen.Result<strong>at</strong>eter<strong>at</strong>detblirenhyeffektutviklingikompar<strong>at</strong>orenitilleggtilereandredeleravsensoren.Ifotodetektorensitterforholdsvisstorfototransistor,ogdetgjr<strong>at</strong>fotoreseptorenfarenhyeffektutvikling.Strmmenifasesplitterenerogsaoversvakinversjonoghypassdelenavfaselteretharenforspenningsomliggerinedredelavomradetforsterkinversjon.Detbetyr<strong>at</strong>detvillevreuheldigavelgedenkompar<strong>at</strong>orensomertestethermedtankepaenlaveffektsensor.D<strong>at</strong>estkretsenmedsensoreneblelagtut,bledetlagtmestvektpaltrene.Kompar<strong>at</strong>orenmedhysteresekommedisisteyeblikketterforslagfraoppdragsgiversomnsketensensormestmuligioverensstemmelsemeddetp<strong>at</strong>enterteprinsippet,ogvivalgteabrukekompar<strong>at</strong>orenfraAllen&Holbergfordidensauttilavredetvivarpajaktetter.Pagrunnavtidspressunderkonstruksjonenavtestkretsenbledetikkegjortgrundigenoksimuleringertilaavslrekompar<strong>at</strong>orenssvakheter.Iettertidvistedetseg<strong>at</strong>kretsenikkesvartetilvareforventninger.Nardetgjeldersensorensomhelhet,viserdetseg<strong>at</strong>detikkeermuliganneetsettmedforspenningersomerbrukbareforallebrikkene.Vedavelgeentilfeldigbrikkeogsettebrukbareforspenningerfordenne,virkertypisk9av12brikkersomforventetmeddettesettetforspenninger.DetskyldesfrstogfremstvariasjoneriDC-nivaeneforfase-oglavpasslteretbrikkeneimellom,menogsavariasjoneriforsterkerenestranskonduktanssomfrertilavvikmellomfasedreiningeneiltrene.Sensorenklartesegbraveddetestenesomblegjortforstyfraenvanligskrivebordslampe.
46 Kapittel554.543.5Respons (V)32.521.510.500 0.2 0.4 0.6 0.8 1Tid (s)x 10 -3Figur5.10:SensorensresponsvedblandingavsagtannogsignalFigurenviserenmalingavutgangenfrakompar<strong>at</strong>orenforenblandingavsagtannogsignalpulsermeddetsammeutsnittetsomigur5.9(b).Breddenpapulsenefrakompar<strong>at</strong>orenvarierersomflgeav<strong>at</strong>ltreneikkeharsammeDC-nivaoverdetvisteutsnittetavtidskalaen.Ved0.5mskerfaselteretsDC-nivaiforholdtillavpasslteretsDC-nivaogsensorenernrvedamistesignalpulser.
Kapittel6Diff1kretsensomenaltern<strong>at</strong>ivsensorIdettekapitteletpresenteresenenklereversjonavsensorenenndenlsningensomerbeskrevettidligere.SammenmedfotodetektoreneerdetlagtutensensorbyggetpaDiff1kretsenbeskrevetavMead[9].Dennesensorenharikkekompar<strong>at</strong>ormedhystereseogdentarikkehensyntilforskjellifasemellomlavpassltrertogultrertsignal.6.1 InnledningEtavproblemenemeddensensorensomtilnaerbeskreveterutligningenavfasenefordetltrerteogultrertesignalet.Faselteretogfasesplitterendempersignaletfrafotoreseptorenbetydelig.Dettefrertil<strong>at</strong>manmavelgelsningersomkersensorenseffektutviklingogareal;enstrrefotodetektorogkretsersomoperereristerkinversjon..Pagrunnavforsterkereneibeggesignalveienefarmanogsafeilspenningersomkanpavirkesensoren.Sprsmaleteromenannenlsningkunnevrtvalgt,somforeksempelDiff1kretsen.6.2 Diff1kretsenDiff1kretsenerendifferensi<strong>at</strong>orsombyggerpanoeavdetsammeprinsippetsomp<strong>at</strong>entenforsensorenbeskriver[11].IDiff1kretsenlavpassltreressignaletfrainngangenogsammenlignesmedenultrertversjonavsignalet.Utgangengenereressomdifferansenmellominngangenogdetltrertesignalet.Dersomdetikkeforekommerfeilspenningerilavpasslteretvilkretsengidenderiverteavbadedepositiveogdeneg<strong>at</strong>iveankeneiinngangssignalet.FortegnetfordenderivertekanmanvelgevedabytteomsignalenepainngangentilforsterkerenA2.Kretsenervistigur6.1.LavpasslteretikretsenerenenkelOTA{Cintegr<strong>at</strong>orogoverfringsfunksjonenforltereter:v cV inn=1s +1dertidskonstantenergittavforsterkerenstranskonduktansogkondens<strong>at</strong>oren, =G m1 =C,ogv cerspenningenoverkondens<strong>at</strong>oren.Kompar<strong>at</strong>orenerutentilbakekoplingogharenspenningsforsterkningA.Utgangsspenningenerdermedgittsom:V ut = A(V inn , v c )=Ass +1 V inn47
48 Kapittel6Vinn,+Gm1C,+AVutFigur6.1:Diff1kretsenTeoretisksetterdetteenheltgreidifferensi<strong>at</strong>or,mentarmanhensyntilfeilspenningeritranskonduktansforsterkerenilavpasslteretserman<strong>at</strong>kretsenharetsvaktpunkt.EnfeilspenningVoverkondens<strong>at</strong>orenvilforsterkesogleggestilspenningenpautgangen.Regnermanmeddennefeilspenningenbliroverfringsfunksjonenforkretsen:V ut = A(V inn , (v c + V ))= Ass +1 V inn + AVIsvakinversjonerenspenningforskjellpanoenfagangerkT=qmellominngangenepaenforsterkerutentilbakekoplingnoktiladriveutgangentilGNDellerV DD .Result<strong>at</strong>eter<strong>at</strong>kretsenikkevilklareadetekterestigendeellerfallendeankeiinngangsignaletavhengigavpositivellerneg<strong>at</strong>ivV.6.2.1 SensorenmedDiff1kretsenDetviutnytternarDiff1kretsenbrukesisensorenersvakhetenkretsenhariforbindelsemedfeilspenningerilavpasslteret.Diff1kretsenerbyggetmedwide-rangetranskonduktansforsterkereutennoenkompensasjonforEarlyeffektellerandrefeilspenninger.OgnettoppEarlyeffektengirforsterkereneidettetilfelletenneg<strong>at</strong>ivfeilspenning.Medkretsenkopletsomvistigur6.1vilmanpagrunnavdenneg<strong>at</strong>ivefeilspenningenfaenpositivderivertforenneg<strong>at</strong>ivankeiinngangsignalet.FotoreseptorenisensorenmedDiff1kretseninneholderbrnndiodenbeskrevetikapittel3.Fradennereseptorenfarmanenneg<strong>at</strong>ivankeforenlyspuls.Diff1kretsenharingenhystereseogterskelenergittavdenfeilspenningenlavpasslterethar.Narmanlagerintegrertekretserfortestformalvilmangelpapinneralltidvreetproblem,ogp<strong>at</strong>estkretsenmedfotodetektoreneharDiff1kretsenlavprioritet.Ingeninternenoderertilgjengeligeforengrundigeretestavkretsen.DeterbarespenningenfrafotoreseptorenogutgangenfraDiff1kretsensomertilgjengelige.ResponsenforDiff1kretsenfra10integreretebrikkerervistigur6.2.Allekretsenevirkermeddetsammesettetforspenninger,ogdetersmavariasjoneripulsbreddenutfrakretsene.DesmavariasjonenekanskyldesspredningeriDC-nivaetpafotonodenogforskjellerifeilspenningenilavpasslteretfrakretstilkrets.6.3 BehovetforautlignefaseneFilteretiDiff1kretseneretfrsteordenslavpasslter.Vedasetteknekkfrekvensentil1kHz,slikdetbleforesl<strong>at</strong>tagjreforfaselteretoglavpasslteretisensoren,vilmanhaendempningpaomtrent31dBved35kHz.Detbetyr<strong>at</strong>ca.3%avavdetpulsedelysetslipperigjennomlavpasslteret.Fasedreiningforfrekvenserunder1kHzeropptil-45 ,ogmedensalavknekkfrekvenssom1kHzerdetmedetfrsteordenslavpasslterndvendigautlignefasenefordetosignalveiene.
Diff1kretsensomenaltern<strong>at</strong>ivsensor 49Respons (V)54.543.532.521.510.5Respons (V)54.543.532.521.510.500 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Tid (s)x 10 -5(a)ResponsenforDiff1kretsene00.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Tid (s)x 10 -5(b)Utsnittavkurveneigur(a)Figur6.2:ResponsenforDiff1kretsenved60kHzTestenavsensorenmedDiff1kretsenerutfrtmedetsignalkildederdutycycleer25%ogfrekvensen60kHz.UtgangssignaletfraDiff1kretsenharendutycycleparundt30%.kningenskyldesdenasymmetriskeresponsenforfotoreseptoren.Deterenlitenvariasjonipulsbreddeniutgangssignalet,ogdettekanskyldesforskjellerifeilspenningenilavpasslteretfrakretstilkrets.Lavpasslteretharveddennemalingen0.65Vforspenningogutgangsforsterkerenhar0.8Vforspenning.Foraholdeenvissdempningavsignalpulsenegjennomlavpassltereterdetbegrensethvorhytoppifrekvensbandetmankanleggeknekkfrekvensenforetfrsteordenslavpasslter.kermanknekkfrekvensentil5kHzvildempningenbliomtrent17dBved35kHz,hvilketvilsi<strong>at</strong>mannnerigjen14%avsignaletetterlavpasslteret.Detbrikkevremerenn5{10%igjenavsignaletetterlavpasslteretved35kHz.Medethyereordenslterkanmanleggeknekkfrekvensentettereopptilfrekvensenfordetpulsedelyset.Lavpasslteretfrasensoreniforrigekapittelvilgiendempningpa22.5dBved35kHz,ogenfasedreiningunder12 forfrekvenseropptil1kHzmedenknekkfrekvenspa10kHz.Endempningpa22.5dBvilsi<strong>at</strong>7.6%avsignaletslipperigjennomlteret.Figur6.3viserberegnedeverdierforfaseforskyvningenogdifferansenmellominn-ogutgangforlavpasslteretved1kHzmedknekkfrekvenspa10kHz.DeterlitengevinstmedhensynpafasedreiningvedaleggepaenOTA{Cintegr<strong>at</strong>ortililavpass-lteret.SaetandreordenslavpassltermedtoOTA{Cintegr<strong>at</strong>oreriseriemedenknekkfrekvenspa10kHzkangienbrukbarsensormedDiff1kretsen.Mankunneogs<strong>at</strong>enkesegetandreordensltermedkompleksepoler,mendetvilgienresonansfrekvenssomkanfretilenforsterkningavoverharmoniskefrekvenseristyensomisinturkangifeildeteksjoner.6.4 Kunnevivalgtenannenlsning?Idenlsningenvivalgteforsensorenharvinoeproblemermedutligningavfasenefordetltrerteogdetultrertesignalet.Frstogfremstfordikretseneoperererisvakinversjon.Noenavdeproblemeneviikkekommerutenomisvakinversjon<strong>CMOS</strong>erfeilspenningerogtilfeldigevariasjonersom
50 Kapittel610.80.6Lavpass utgang0.4Amplitude0.20-0.2Differanse-0.4-0.6-0.8-10 0.2 0.4 0.6 0.8 1Tid (s)x 10 -3Figur6.3:Fasedreiningforetandreordenslavpasslterved1kHzKurvenmerketLavpassutgangerberegnetforetandreordenslavpassltermedknekkfrekvens10kHz.Denheltruknelinjenerinngangssignalet,ogkurvenmerketDifferanseerdifferansenmellominn-ogutgang.endrertranskonduktansentilforsterkerene.Isvakinversjonbliruktuasjoneriprosessparametrenemersynligeennisterkinversjon,ogsprsmaleteromviskullevalgtenannenlsning.Enlsningderviikkegjrnoeforskpaautlignefasenemellomsignalveiene,menutnytterdetfaktum<strong>at</strong>styenstortsettliggerunder1kHzogsignaletpa35kHz.ValgetkunneisafallfaltpaDiff1kretsen.Kretsenbyggerpadetsammeprinsippetsomsensoren,mentarikkehensyntilulikefaserfordetosignalene.Result<strong>at</strong>eter<strong>at</strong>kretsenkanrealiseresmedbareetlavpasslterogenkompar<strong>at</strong>or.Mendetbetyrikkendvendigvis<strong>at</strong>kretsenblirmindreennsensorenfrakapittel5.LavpasslteretiDiff1kretsenmahaenhyordenforafaenknekkfrekvenstettopptilsignalfrekvensenved35kHzforareduserefasefeileniomradet0til1kHz.Detbetyr<strong>at</strong>lsningenmedfaseutligningeneretbedrevalgennDiff1kretsen.
Kapittel7KonklusjonArbeidetiforbindelsemedoppgavenharvrtinteressantoglrerikt.Tointegrertekretsererkonstruertogresult<strong>at</strong>eneavtestenepadetokretseneermegetgode.Idettekapitteletpresenteresenkortoppsummeringavresult<strong>at</strong>erfraarbeidetmedsensoren.7.1 OppsummeringForavurdereuliketyperfotodetektoreriforholdtilhverandrebledetlagetenegenkretsmedfotodioderogfototransistorer.Testeneavfotodetektoreneviser<strong>at</strong>enPNPparasittfototransistorharengodnoktidsreponsogbandbreddeforbrukisensoren.Fotodiodeneharenbedretidsresponsennfototransistoren,menkanikkekonkurreremedfototransistorennardetgjelderfotostrmperareal.IsensorenbrukesderforenPNPfototransistorsomfotodetektor.Padenandretestkretsenliggerhovedvektenpaltreneisensorenogutgangspunktetforvalgavlavpasslterogallpasslterer<strong>at</strong>ltreneskalvresaenkleogsmasommuligoghaenlaveffektutvikling.FiltrenerealiseresmedOTA{Cintegr<strong>at</strong>orerderforsterkereneforspennesforoperasjonisvakellermoder<strong>at</strong>inversjon.NarmanbrukerltrebasertpaOTA{Cintegr<strong>at</strong>orerkanikkedetenklesteRCallpasslteretbenyttessidenlteretsinngangervilfaulikinngangsimpedans.Isensorenlsesdetteproblemetvedautvidelteretmedentranskonduktansforsterkerpahveravinngangene.Itilleggjusteresforsterkerenesforspenningerslik<strong>at</strong>lteretsoppfrselblirmestmuliglikallpasslterets.Fasenefordettelteretoglavpasslteretavvikerlitefrahverandreipassbandet.Ensvakhetvedfaseltereterendempningpa1{2dBoverknekkfrekvensen,mendettepavirkerikkesensorensvirkem<strong>at</strong>e.Sensoreninneholderogsaenkompar<strong>at</strong>ormedhysterese,menproblemetmeddennekompar<strong>at</strong>orener<strong>at</strong>hysteresenikkelarsegjusterenarkretsenopereresisvakinversjon.Ennyereversjonavsensoreninneholderenkompar<strong>at</strong>orforsvakellermoder<strong>at</strong>inversjon.Kompar<strong>at</strong>orenerkonstruertavTorS.LandeogYngvarBerg,ogkretsenerbeskrevetiartikkelen\ACompar<strong>at</strong>orwithAdaptiveHysteresis"(seside59ff.).51
52 Kapittel77.2 KonklusjonIdenneoppgavenerdetpresentertensensorforpulsetlys.Sensorenerbyggetmedanalog<strong>CMOS</strong>ogerkonstruertforoperasjonisvakellermoder<strong>at</strong>inversjon.Detkonstruereslitekretserfordetteoperasjonsomradetiforholdtilkretserforoperasjonisterkinversjon.Noenavgrunnenetildetteerproblemerforbundetmedmodelleringogsimuleringavnettverkene,problemermedvariasjoneriprosessparametreneogredusertbandbredde.Vedaopereresensorenimoder<strong>at</strong>ellersvakinversjonfarmanenlaveffektutvikling.Effektutviklingenforhelesensorennarltreneerforspentforsvakinversjoner100W,ognarltreneerforspentformoder<strong>at</strong>inversjonereffektutviklingen160W.Laveforspenningsstrmmergirogsaetredusertarealforsensoren.Frekvensenfordetpulsedelysetidenapplikasjonensensorenertiltenktliggerpa35kHz,ogfrekvenskomponenteneibakgrunnsbelysningenliggerstortsettunder1kHz.Knekkfrekvensenforltreneliggermellom1{10kHzogmedenlavforspenningsstrmblirkondens<strong>at</strong>oreneiltrenerel<strong>at</strong>ivtsma.Helesensorenfarplassinnenforetarealpa340510,ogrundtregnet40%avsensorensarealgartilkondens<strong>at</strong>orer.Kretsenerikkekonstruertmedtankepamestmuligeffektivarealutnyttelse,ogsensorensarealkanreduseresytterligere10{15%vedapakketransistorenetettere.Testeneavsensorenhargittgoderesult<strong>at</strong>er,ogviser<strong>at</strong>determuligakonstruereenlaveffektsensorforpulsetlysianalog<strong>CMOS</strong>.
TilleggAMOSTransistorenisvakinversjonItradisjonelldigitalteknikkutnyttesMOS-FETtransistorensomenbryter.Medeng<strong>at</strong>espenningenlavereennterskelspenningenregnestransistorensomavsl<strong>at</strong>t.Ianalog<strong>CMOS</strong>forsvakinversjonutnyttermantransistorensegenskaperidetteomradet.Sammenhengenmellomspenningenpag<strong>at</strong>eogstrmmendrain{sourceereksponensiellisubterskelomradet,ogvikanrealisererel<strong>at</strong>ivtavanserteberegningermedf<strong>at</strong>ransistorer.GrensenforsubterskelomradetsettesvedIds = 100nA[2],ogeffektforbruketpertransistorerliteiforholdtilberegningskapasiteten.Idettekapitteletpresenteresenforenkletmodellfortransistorenisvakinversjon.A.1 EnmodellforMOS-FETtransistorenisvakinversjonNartransistorensg<strong>at</strong>espenningliggerunderterskelspenningenerdetikkedannetkanalmellomsourceogdrain.Detteoperasjonsomradetfortransistorenkallessvakinversjon.Inversjonenavkanalomradeteravgjrendeforhvordanladningenetransporteresmellomsourceogdrain.Diffusjondominererisvakinversjon,mennarkanaleneretablertskjernestenalltransportavladningveddrift.Overgangenfrasvaktilsterkinversjonkallesgjernemoder<strong>at</strong>inversjon[14],ogladningerikanalomradettransporteresbadeveddriftogdiffusjon.Isvakinversjonerdeteksponensiellsammenhengmellomspenningenp<strong>at</strong>ransistorensterminalerogstrmmenitransistoren,mensdetisterkinversjonerenkvadr<strong>at</strong>isksammenheng.VedasepadiffusjonavladningmellomsourceogdrainkanmansetteoppflgendeforenkledemodellforMOS-FETtransistorenisvakinversjon[9]:I ds = I 0 e , qVg qVskT (ekT, e qV dkT ) (A.1)hvorI 0 erknyttettildopingenavhalvlederenogtransistorensstrrelse(regnessomkonstant),kerBoltzmanskonstant,T absolutttemper<strong>at</strong>ur,q erladningenforladningsbrereneikanalen(hullellerelektroner),kT=q kallestermiskspenning(V T )oger26mVvedromtemper<strong>at</strong>ur[13],og eretmalforeffektivitetenavg<strong>at</strong>espenningen.G<strong>at</strong>evilikkevre100%effektivmeddopetsubstr<strong>at</strong>;noeavladningenpag<strong>at</strong>eviloppveiesavionisertedope<strong>at</strong>omerisubstr<strong>at</strong>et.SpenningeneV g ,V s ogV d malesiforholdtilsubstr<strong>at</strong>et.53
54 TilleggA10 -510 -610 -710 -8Ids (A)10 -910 -1010 -1110 -1210 -1310 -140.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Vg (V)FigurA.1:I ds forenN{transistorisvakinversjonMalteverdierermarkertmedsirkler,ogdenteoretiskekurvenerheltrukket.DenteoretiskekurvenerberegnetutfraligningA.1der =0:6ogI 0 =1:610 ,16 A.Spenningenovertransistorenvar5Vveddennemalingen.Forg<strong>at</strong>espenningmellom0:4og0:8Verdetgodtsamsvarmellommaltstrmogteoretisktilnrming.Terskelspenningenfortransistorenerca.0:9V.StrmmengjennomenN{transistorsomfunksjonavg<strong>at</strong>espenningenervistigurA.1.Denmaltekurvenviser<strong>at</strong>strmmenvariererover4{5ordenerisvakinversjon.Forg<strong>at</strong>espenningerunder0.4Vserstrmmenuttilaleggesegpa10 Afordennetransistoren.Dettekanskyldesenkombinasjonavtermisksty,begrensningerimaleinstrumentetsopplsningoglekkasjetilsubstr<strong>at</strong>et.Modellenfortransistoreneretrimelignyaktigverktyforabeskriveetnettverksoppfrsel.,12Unyaktighetengarpa<strong>at</strong>modellenikketarhensyntilviktigeandreordenseffektersomlarsegmodellere.Denviktigsteforosserkanalforkortning.Substr<strong>at</strong>effektenlarsegogsamodelleremenharmindrebetydningfoross.A.1.1 KanalforkortningIsvakinversjonerenspenningnoenfagangerV T overtransistorennoktilafadrainstrmmenimetning.Detbetyr<strong>at</strong>transistorenkanopereresomenspenningskontrollertstrmkildefralikeoverGNDogopptilV DD .Metningsstrmmenskulleblikonstantmedutgangspunktilikning(A.1),mendennelikningentarikkehensyntilhvordanendringavkanalenslengdepavirkerstrmmenitransistoren.Mellomsource/drainogkanalendannesdetdeplesjonssonersomeravhengigeavdopekonsentrasjonerogforspenninger.Sourceogdrainertyngredopetennsubstr<strong>at</strong>etogmestepartenavendringenideplesjonssonenerundtdisseterminaleneskjerderforisubstr<strong>at</strong>et.Kanalenseffektivelengdeeravstandenmellomdeplesjonssonene.Narspenningenovertransistorenkerredusereskanallengdenogmetningsstrmmenker.DenneeffektenkalleskanalforkortningellerEarlyeffekt.Imetninger@I ds omvendtproporsjonalmedtransistorensnominellelengde,ogdrainkonduk-
MOSTransistorenisvakinversjon 55tansenkantilnrmesved[9]:g @Id = , 1 @V d V 0(A.2)derV 0 erkonstantforengittkanallengde.EkstrapolerermanI ds kurverimetningsomradetforulikeV g isubterskelomradet,vilkurvenekrysseV ds aksenisammepunkt,,V 0 .DennespenningenkallesEarlyspenningenogerproporsjonalmednominellkanallengde.Kombinereslikning(A.1)medlikning(A.2)ogmedtilnrmingeng d V d g d V ds ,kanstrmmengjennomtransistorenuttrykkespaflgendem<strong>at</strong>e[9]:I ds = I 0 e 1 (VV T g,V s)(1 ,, e V dsV TErtransistorenimetningblireksponensialleddete , V dsV TtilnrmingkanI ds uttrykkesved:I ds = I s<strong>at</strong> (1+ V dsV 0)+V dsV 0)(A.3)tilnrmetlik0,ogsomenfrsteordensderI s<strong>at</strong> erI 0 e 1 (VV T g,V s).Forskjelligdrain{sourcespenningvilpagrunnavEarlyeffektenkunnegiforskjelligmetningsstrmfortolikestoretransistorer.Forlangetransistorerkanmansebortfradenneeffekten.A.1.2 Substr<strong>at</strong>effektNarspenningenpasourceker,vokserdeplesjonssonenmellomterminalenogsubstr<strong>at</strong>et.Ladningenideplesjonssonenunderkanalomradetkeroggradenavinversjonreduseres.Result<strong>at</strong>eter<strong>at</strong>terskelspenningenstigerogI ds synker.Foraholdeinversjonenikanalomradetkonstant,maspenningeng<strong>at</strong>e{sourcekemerennsource{substr<strong>at</strong>.Dettekallessubstr<strong>at</strong>effekt[13].Vedabruke kanvifadenneeffektenmedimodellen.I ds forenN-transistorergittved[2]:I ds = I 0 e (1,)V bsV T e VgsV T (1 ,, e V ds VV dsT + )V 0(A.4)derV gs erg<strong>at</strong>e{sourcespenningen,V ds erdrain{sourcespenningen,V bs ersubstr<strong>at</strong>tilsourcespenningenogV0 erEarlyspenningen.Hererallespenningerermaltrel<strong>at</strong>ivttilsourcespenningen.AllefortegnieksponentenebyttesomforP-transistoren.A.1.3 ProduksjonsavhengigevariasjonerIdenforenkledemodellenerI 0 ant<strong>at</strong>tkonstant.ParameterenergittvedI 0 = kT( w )N l 0e , 0kT [9]der ermobilitetenforladningsbrereneikanalomradet(hullellerelektroner),N 0 erladningstetthetenvedFerminivaetog0 erdeninnebyggedebarriereniPNovergangenmellomsubstr<strong>at</strong>etogsource/drain.Mobiliteten,ladningstetthetenogbarriereneravhengigavdopekonsentrasjoneneihalvlederen.Tilfeldigevariasjoneridopingenvilikkegienjevnforurensning.Servipasmaarealerkanvariasjonenefrastedtilstedpabrikkenvreganskestore.Forstrrearealerblirforskjellenemindre1markante.Result<strong>at</strong>eter<strong>at</strong>I 0 variererforellersliketransistorer.Foridentisketransistorerkandrainstrmmenvarieremedenfaktorpainntil2iflgeMead[9]ogAndreou[2].1Viharvalgtminstetransistorarealtil6m 6mforareduserevirkningenavEarlyeffektenogtilfeldigevariasjoneridoping.Minstekanallengdemeddenprosessenviharbrukter2m.
56 TilleggA
Referanser[1]P.E.AllenandD.R.Holberg. <strong>CMOS</strong>AnalogCircuitDesign.Holt,RinehartandWinston,1987.[2]AndreasG.Andreouetal.Current-modesubthresholdMOScircuitsforanalogVLSIneuralsystems.IEEETransactiononNeuralNetworks,2(2):205{213,March1991.[3]KamranEshragianandNielWeste.Principlesof<strong>CMOS</strong>VLSIDesign,ASystemperspective.Addison{Wesley,1988.ISBN0-201-08222-5.[4]RoubikGregorianandGaborC.Temes.AnalogMOSIntegr<strong>at</strong>edCircuitsforSignalProcessing.WileyIntern<strong>at</strong>ionalEditions,1986.ISBN0-471-09797-7.[5]GudmundHernes. Ulykkesfuglerogugangskraker. konomiskrapport(A/SHjemmet-Fagpresseforlaget),1985.ISBN82-7315-393-2.[6]PaulHorowitzandWineldHill.TheArtofElectronics.CambridgeUniversityPress,1986.ISBN0-521-29837-7.[7]JohnB.Hughes,NielC.Bird,andIanC.Macbeth.SwitchedCurrents{AnewtechniqueforanalogSampledD<strong>at</strong>asignalprocessing.IEEEProc.ISCAS-91,pages1584{1587,May1989.[8]FranklinF.Kuo.NetworkAnalysisandSynthesis.WileyIntern<strong>at</strong>ionalEditions,secondedition,1962.ISBN0-471-51116-1.[9]CarverA.Mead.AnalogVLSIandNeuralSystems.Addison{Wesley,1989.ISBN0-201-05992-4.[10]JohnArneNesheim.AnalogCorrel<strong>at</strong>orsfor<strong>CMOS</strong>SignalProcessing.UniversitetetiOslo,Instituttforinform<strong>at</strong>ikk,1993.[11]PerOlafPahr.Highdynamicrangeintegr<strong>at</strong>edoptoelectronicsensorforpulsedlight.U.S.P<strong>at</strong>entPending,ledAugust141991,SerialNo.744,877.[12]JoseSilva-Martnez,MichielSteyaert,andWillySansen. High-Performance<strong>CMOS</strong>Continous-TimeFilter.KluwerAcademicPublishers,1993.ISBN0-7923-9339-2.[13]BenG.Streetman. SolidSt<strong>at</strong>eElectonicDevices.PrenticeHallIntern<strong>at</strong>ional,thirdedition,1990.ISBN0-13-824749-8.[14]YannisTsividis.Moder<strong>at</strong>eInversioninMOSDevices.Solid-St<strong>at</strong>eElectronics,25(11):1099{1104,1982.57
[15]YannisTsividis,MihaiBanu,andJohnKhoury.Continuous-TimeMOSFET-CFiltersinVLSI.IEEEJournalofSolid-S<strong>at</strong>eCircuits,21(1):15{30,February1986.[16]M.E.vanValkenburg.AnalogFilterdesign.Holt,RinehartandWinston,1982.ISBN0-03-059246-1eller4-8337-0091-3.[17]yvindS.Wenstp.Digitalsignalbehandling{eninnfring.Universitetsforlaget,1986.ISBN82-00-43006-5.58
Artikler59
Change language