Sensori
Si possono individuare 5 clasi di sensori:
- Sensori voltaici
- Sensori con bias resistivo - Rivelatori optoelettronici - Sensori RLC
- Trasduttori piezoelettrici - Sensori tipo trasformatore
Scopo e’ di individuare le sorgenti di noise nei diversi tipi di sensori, rispetto al segnale da rivelare, per potere definire un modello
completo per valutare il noise totale del sistema sensore-ampl.
Sensori voltaici
Es. termocoppie,termopile, celle piroelettriche, generatori Cc di accoppiamento
per segnali ac
RL per accordarsi con Resistenza di carico
Nel modello sensore+ampl. la Cp deve essere minima per ridurre En ad alte frequenze, mentre C deve essere o molto grande o non esserci per ridurre il suo effetto sulla In dell’ampl.
Il noise termico si riduce con Rs piccola e Ampl. deve esere scelto in modo che la resistenza Ro ottimale sia = a Rs e
che prodotto EnIn sia piu’ piccolo possibile
Sensori con bias resistivo
Es: celle iinfrorosso fotoconduttive, sensori di sforzo, bolometri, termometri a a resistenza, e sensori piezoelettrici.
Il circuito esemplificativo evidenzia
la tensione di bias VBB, e il segnale Vs e’
determinato dalla variazione di tensione ai capi di RB
ΔRs <<Rs e’ la componente
variabile del sensore Cc toglie componente common mode da dc bias Il sensore non genera il segnale direttamente, esso deve essere “biased” con una sorgente di V o I accoppiata ad un resistore di carico. Si ha cosi’ due sorgenti di noise in piu’:
noise da parte del circuito di bias e del resistore di carico
Il segnale Vs e’ causato dalla modulazione della resistenza o conduttivita’ della resistenza del sensore Rs:
€
VS = IBRS = VBBΔRS
RS + RB
Il generatore di noise Ins rappresenta (in generale) tre generatori di noise del sensore: thermal noise, 1/f e il noise G-R.
Il noise G-R, tipico dei rivelatori fotoconduttivi, e’ un white noise, coon uno spettro piatto per un certo range di frequenze, dove domina sul noise termico.
Rs ha influenza sia sul segnale del sensore che sul noise.
Inb tiene conto dei due possibili contributi:
corrente di noise termico e noise in eccesso.
Rb e’ un elemento molto critico:
- il noise termico di Inb va come 1/sqrt(Rb), quindi Rb dovrebbe esseremolto grande.
- il segnale Vs dipende da 1/(Rs+Rb), piu’ piccolo Rb maggiore e’
il segnale.
BISOGNA trovare equilibrio tra guadagno e rumore che dipendono dalle caratteristiche del sensore
Una soluzione e’ di rimpiazzare Rb con induttanza noise-free per biasing e carico,
oppure usare una sorgente di corrente al posto di un voltage source.
Rivelatori optoelettronici
Usati per rivelare varie forme della radiazione visibile e non.
Applicazioni: infrarosso, misure di calore, luce, colore, rivelatori a fibre ottiche, sensori per lettori CD/DVD, rivelatori laser etc..
Due tipi di rivelatori fotonici a stato solido:
- fotoconduttori -->radiazione sulla cella produce corrente Is = Ir+Idark Il bias e’ applicato alla cella per raccogliere la corrente.
- fotovoltaici -->la radiazione sulla cella produce direttamente Vs Una forma comune di fotoconduttore e’ il fotodiodo.
La tensione di bias VBB, rovesciata, raccoglie tutta la corrente generata dalla radiazione fotonica, generando un segnale di tensione sulla Rb.
Spesso il fotodiodo e’ usato con un op amp, con fdbk negativo, in questo modo si ha un sensore fotoconduttore.
La resistenza di fdbk, RB, produce un ground virtuale all’anodo del fotodiodo e cosi’ riduce l’impedenza di input aumentando la risposta in frequenza.
La tensione di output Vo=-IDRB con ID reverse biased current, (dark current).
R2 dovrebbe essere R2=RB per ridurre l’offset di tensione dovuto alla corrente di bias di input,ma R2 induce bias.
Il modello di noise in un sensore fotoconduttivo deve tener conto di tutte le sorgenti di noise.
Il circuito equivalente di noise comprende:
Is e’ il segnale in corrente del fotodiodo,proporzionale alla intensita’ della luce.
Ish dipende da ID, Ish = (2qID)1/2
Ecell< 50 Ohm, si puo’ anche trascurare; RB, resistenza di carico ( o bias resistance) e’ generatore di corrente di noise termico e quindi deve essere grande per minimizzare il contributo del noise.
Le capacita’ Cd ( della cella) e la Cw (collegamenti) hanno la funzionedi elementi limitanti di frequenza cosi’ bisogna tenerle
piu’ piccole possibili. Inoltre bisogna anche tener conto della capacita’ Ci di ingresso e di Ri resistenza di ingresso dell’ampl.
che non sono indicati, ma che certamente influenzano il guadagno dell’amplificatore.
Un modello simile e’ utilizzabile nel caso di un diodo, non biased,o un diodo fotovoltaico.
La resistenza di bias deve essere rimossa e se vi e’
della corrente dc ( o corrente buia) dovuta al livello di luce ambientale, bisogna tener conto che essa genera dello shot noise; la resistenza di shunt del
diodo puo’ essere determinata dall’equazione del diodo.
Un transistore FET puo’ essere il primo stadio amplificante ideale per un fotodiodo, che ha una alta resistenza di input e bassa capacita’.
Meccanismo di noise nei fotodiodi
I 4 meccanismi principali di noise di un sistema photodiodo-ampl sono:
1/f noise , shot noise, Generation-Recombination noise e thermal noise.
l’excess noise o 1/f e’ caratterizzato dal suo spettro in frequenza, dipendendo dall’intrappolamento dei portatori alla ( o vicino) superficie ed e’ dovuto ai difetti e impurita’ del lattice del cristallo.
Lo shot noise e’ causato dall’arrivo casuale dei portatori attraversanti la barriera di giunzione.
Il noise R-G e’ spesso il noise dominante nei fotodetector. E’ dovuto alla fluttuazione nella generazione, ricombinazione e intrappolamento di portatori nei semiconduttori. Fluttuando i portatori si ha una
fluttuazione della conducibilita’. A differenza del noise termico in cui si ha una variazione della velocita’ istantanea dei portatori, qui si ha unafluttuazione del numero dei portatori.
Modello di sensore RLC
Sensori RLC sono le testine dei registratori a nastro magnetico, sensori magneti, pick up induttivi, microfoni dinamici ed altri.
Possono essre dispositivi risonanti ma la loro caratteristica principale e’ la sorgente di segnale induttivo.
Il modello di noise, partendo dal circuito generale comprendente sensore e ampl, deve contenere la sorgente il noise Es per
rappresentare il noise termico che puo’ essere presente nella parte reale dell’impedenza Rs del sensore.
Il sensore, inoltre, avra’ una induttanza di shunt Lp e una capacita’
Cp, che tiene conto della capacita’ dell’induttanza e della capacita’
di wiring oppure la capacita’ esterna aggiunta per far risonare il sensore.
I parametri che entrano nel modello di circuito equivalente sono:
N.B.alla risonanzail valore di En e’
minimo,il termine In dipende solo dall’impedenza dell’induttanza in serie con la resistenza.
Il segnale nel sensore RLC e’
usualmente una tensione proporzionale alla rate di
variazione del flusso concatenato.
Il disegno di un sensore induttivo richiede di ottimizzare il numero di spire con il diametro; per piccoli segnali il segnale in tensione e’ proporzionale al n. di spire. Per piccoli diametri la resistenza induttiva e’ proporzionale
al # di spire ed il noise e’ proporzionale alla sqrt del # di spire, quindi cresce meno del segnale, ma per dametri grandi la resistenza cresce
piu’ velocemente che il quuadrato del # di spire equindi il S/N si riduce.
Trasduttore piezoelettrico
Un trasduttore piezoelettrico genera un segnale elettrico quando e’
meccanicamente pressato; e’ un trasduttore a processo reversibileL quando pressato l sensore genera un segnale elettrico, un segnale elettrico genera una flessione meccanica.
Sensori piezoelettrici sono impiegati in microfoni, idrofoni, sonar, rivelatori sismici, sensori di vibrazione, accelerometri ed in ogni caso dove si richiede la conversione da energia meccanica ad energia elettrica.
Esempi comuni di trasduttori piezoelettrici sono elementi ceramici ferroelettrici e i cristalli di quarzo.
I sensori piezoelettrici sono assimilabili a capacita’ che genera una carica quando sono sollecitati meccanicamente. Il segnale di output e’
un piccolo flusso di corrente attraverso una alta impedenza esterna.
Il sensore e’ modellato dalla resistenza Rs in serie con una induttanza
“meccanica” Lm e capacita Cm.
I parametri elettricidel cristallo sono una combinazione di proprieta’ meccaniche ed elettriche
Afrequenze sotto la risonanza Cm-Cm, Cm e Cb formano un divisore
di tensione. Poiche’ Cb puo’ essere 10Cm, il segnale all’ampl. e’ solo Is/10.
La induttanza esterna Lx puo’ essere in risonanza con le capacita’ del sensore e di accoppiamento e quindi migliorare la trasmissione del segnale.
Questi trasduttori hanno due risonanze, una risonanza di serie di Lm e Cm, come pure una risonanza in parallelo di (Cm +Cb) e Lx e questi trasduttori normalmente operano alla frequenza di risonanza parallela.
€
E
ni2= 4kTR
S+ E
n2( Z
S+ Z
LZ
L)
2+ (I
n2+ I
L2)Z
p2Il noise equivalente in input e’
dove
- Zs e’ la impedenza in serie di Rs, Cm e Lm.
- ZL e’ la impedenza parallela di Cp,CB, Lx e RL.
- Zp e’ ZL in parallelo con Zs.
Al noise equivalente in input contribuiscono cosi’
2 tensioni di noise e 2 correnti di noise.
Rs generalmente piccolo, quindi si trascura
En contribuisce poco rispetto a In per la alta impedenza Il termine di corrente di noise e’ dominante.
Per rendere questo contributo piccolo RL deve essere molto grande e In piccolo. Ideali come transistor i FET.
Sommario
Per disegnare correttamente sistemi a basso rumore con il piu’ alto rapporto S/N e’ necessario introdurre nel modello anche un modello di noise del sensore.
Per avere un basso rumore e’ necessario che le
caratteristiche del noise dell’ampl. si accordino con il noise e impedenza del sensore.
Si sviluppa un modello di sensore dal circuito equivalente ac,aggiungendo generatori di tensione di noise a tutti i resistori e shot noise a tutte le giunzioni dei diodi e il noise excess e 1/f dove necessario.
I sensori resistivi con bias sono alimentati via una impedenza di carico, che e’ critica perche’ contribuisce noise e agisce sul guadagno del sensore
Dispositivi optoelettronici sono idealmente limitati dal noise dei fotoni piuttosto che dal noise G-R.
Sensori RLC e piezoelettrici, la condizione risonante agisce sul noise del sistema.
