Sensori

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 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 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 segnale Vs e’ causato dalla modulazione della resistenza o
conduttivita’ della resistenza del sensore Rs:
VS = I B RS =
VBB ΔRS
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:
Ish dipende da ID,
Ish = (2qID)1/2
Is e’ il segnale in corrente
del fotodiodo,proporzionale
alla intensita’ della luce.
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.
Il noise equivalente in input e’
ZS + Z L 2
E = 4kTRS + E (
) + (In2 + I L2 )Z 2p
ZL
2
ni
2
n
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
Sensori RLC e piezoelettrici, la condizione risonante agisce sul
noise del sistema.
Dispositivi optoelettronici sono idealmente limitati dal noise dei
fotoni piuttosto che dal noise G-R.