UNIVERZA V LJUBLJANI JW FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO Številka naloge: M-1039/2005 Datum: 9. 6. 2005 Tržaaka 25 p.p. 2999 1001 Ljubljana Slovenija Tel: 01 476 84 11 Fax: 01 426 46 30 Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani izdaja naslednjo nalogo: v v Kandidat: Andrej ZUNIC, univ. dipl. inž. el. Naslov: KARAKTER1ZACIJA IN ANALIZA DELOVANJA BRALNE ELEKTRONIKE AMORFNOSILICIJEVIH DETEKTORJEV ULTRA VIJOLIČNEGA SEVANJA Vrsta naloge: Magistrsko delo Tematika naloge: Preučite združljivost tankoplastnih polprevodniških tehnologij in mikroelektronskih tehnologij za naročniška integrirana vezja (ASIC). Opišite koncept tankoplastnih fotodetektorskih struktur na naročniškem integriranem vezju (OptoASIC) in razčlenite postopek izdelave. Razložite princip pretvorbe informacije o ultravijoličnem sevanju v električni signal in preučite tankoplastne amorfnosilicijeve detektorje za detekcijo ultravijoličnega sevanja in UV indeksa. Opišite in izvedite karakterizacijo pretvornikov I-f, I-U in A-D, ki so integrirani v naročniško intregrirano vezje OptoASIC za pretvorbo detektorskih signalov. Za vse pretvornike določite prenosno karakteristiko ter dinamične in šumne lastnosti. Podajte rezultate karakterizacije samostojnih tankoplastnih ultravijoličnih detektorjev in zasnujte postopke karakterizacije celotnega OptoASIC-a. Mentor prof. dr. MarkolTopiČ Somentor: C doc. dr. Drago Strle Predstojnik katedre: prof. dr. Igor Medic Dekan: prof. dr. Tomaž Slivnik /WiCL /f//35~ 0 SlowUl-.G.zocr Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko Andrej Žunič Karakterizacija in analiza delovanja bralne elektronike amorfnosilicijevih detektorjev ultravijoličnega sevanja Magistrsko delo mentor: izr. prof. dr. Marko Topič somentor: doc. dr. Drago Strle Ljubljana, junij 2005 Zahvala Najlepše se zahvaljujem mentorju izr. prof. dr. Marku TopiČu, ki meje sprejel v laboratorij, bil vedno na voljo za vprašanja in me pripeljal do želenega zaključka. Prav tako gre zahvala somentorju doc. dr. Dragu Strletu za izkazano strokovno pomoč in koristne nasvete. Zahvaljujem se tudi prof. dr, Francu Smoletu za njegove koristne nasvete in vzpodbudo pri delu. Posebna zahvala gre as. dr. Marku Jankovcu za čas, ki mi gaje naklonil, strokovno pomoč in koristne nasvete. Vsekakor pa ne smemo pozabiti prispevka sodelavke Urše in sodelavcev Miša, Kristijana, Janeza, Uroša, Boštjana, Gregorja, Davida, Andreja in Marka B., ki so naredili okolje v laboratoriju prijaznejše. Zahvala gre tudi Ministrstvu za Šolstvo, znanost in šport za finančno podporo mojega raziskovalnega dela. Prav posebna zahvala gre tudi staršema in sestri Darji za vzpodbudne besede in moralno pomoč na moji poti. Zahvala gre tudi nekomu, ki je naredil moje življenje zanimivejše. Andrej Žunič Povzetek Namen magistrske naloge je, na podlagi karakterizacije različnih konceptov bralne elektronike, določiti optimalen pretvornik za praktično realizacijo senzorskega sistema zaznavanja ultravijoličnega sevanja. O primernosti realizacije posameznega pretvornika bi se odločali na podlagi izmerjenih vhodnih območij pretvornikov, nelinearnosti, dinamičnih in šumnih lastnosti ter enostavnosti pretvorbe izhodne električne veličine v UV indeks in minimalno eritemalno dozo sevanja, ki določa zgornjo mejo zdravega izpostavljanja sončnim žarkom. V uvodnem poglavju je opisana združljivost tankoplastnih polprevodniških tehnologij in mikroelektronskih tehnologij za naročniška integrirana vezja (ASIC). Za tankoplastne detektorje iz amorfnega silicija, ki so občutljivi v ultravijoličnem, vidnem in infrardečem spektru, so opisane zahteve, dogajanje znotraj plasti in njihove lastnosti. Narejen je tudi kratek pregled namensko integriranih vezij od njihovega začetka, ki sega v 80. leta, do današnjih dni. V drugem poglavju na kratko, kolikor je potrebno za opravljanje meritev, opišemo delovanje posameznih pretvornikov: I-f pretvornika, ki izhodni tok detektorja pretvarja v frekvenco izhodnega signala pretvornika; I-U pretvornika, ki izhodni tok detektorja pretvarja v napetost na izhodu pretvornika; A-D pretvornika, ki analogni signal prevaja v digitalni izhodni signal; in /-/ pretvornik, ki služi zgolj za zaščito bralne elektronike na vhodu vseh dosedanjih pretvornikov. Sledi opis načrtovanja oz. določitve debelin posameznih plasti UV detektorja. Bralna elektronika je načrtovana tako, da je možna direktna depozicija UV detektorja na njeno vrhnjo plast, zato smo opisali zaporedje nanosa plasti detektorja pin na bralno elektroniko in postopek plazemsko vzbujene kemijske parne depozicije (PECVD). Za točne meritve je potrebno zagotoviti ustrezne merilne pogoje, zato smo na koncu opisali postopek realizacije testne ploščice, na kateri so potekale vse meritve. Poglavje o karakterizaciji je najobširnejše, ker je v njem zajeta glavnina raziskovalnega dela, zato je razdeljeno na štiri podpoglavja. Večinoma se posvečamo določanju električnih lastnosti pretvornikov. Zaradi različnih zahtev, kaj se tiče vzbujanja in oblike izhodnega signala, so bile za posamezen pretvornik izbrane različne merilne metode. Zato na začetku opišemo merilne metode za posamezen pretvornik, ki se med seboj razlikujejo tudi za določanje statičnih, dinamičnih kakor tudi šumnih lastnosti. Nato za posamezen pretvornik podamo rezultate meritev, ki vključujejo statične, dinamične in šumne lastnosti. Pri statičnih lastnostih je podano merilno območje, izmerjena prenosna 5 Povzetek karakteristika, njen lineariziran potek in nelinearnost. Z dinamičnimi lastnostmi smo opisali obnašanje pretvornika pri sinusnem vzbujanju, vendar je bilo pri I-f pretvorniku to neizvedljivo, ker je pretvornik nelinearen sistem. V tem primeru smo podali le relacije med amplitudo vhodnega toka, frekvenco vhodnega signala in referenčno napetostjo pretvornika. Šumne lastnosti določajo prag pretvornika in posredno celotnega UV senzorja, zato jim je potrebno posvetiti posebno pozornost. Pri /-/pretvorniku smo pomerili odvisnost gostote močnostnega spektra tokovnega šuma od vhodnega toka in prišli do ugotovitve, da le-ta raste z vhodnim tokom. Ker je I-U pretvornik linearen sistem, smo zanj izdelali šumni model, ki ga sestavljata ekvivalentni tokovni šumni izvor in ekvivalentni napetostni šumni izvor. Pri I-U pretvornik smo torej določili gostoto močnostnega spektra tokovnega in napetostnega šuma, ki nam skupaj podajata pravo sliko o šumnih lastnostih pretvornika. Napetostni prispevek upada z večanjem vhodne upornosti, za razliko od tokovnega, ki je neodvisen od upornosti na vhodu. Gostota močnostnega spektra tokovnega šuma analogno-digi tal nega pretvornika vsebuje komponento kvanlizacijskega šuma, ki smo ga zmanjšali z nizkopasovnim Butterworth-ovim filtrom različnih mejnih frekvenc. Raven spekter dobimo, če uporabimo filter drugega reda z mejno frekvenco pri 600 Hz. V nadaljevanju 3. poglavja opišemo UV detektor z njegovimi optičnimi, električnimi, optoelektronskimi, dinamičnimi in šumnimi lastnostmi. Z optično analizo, s katero smo želeli doseči Čim večjo občutljivost detektorja v UV spektru, smo iz primerjave lastnosti struktur nip in pin zaključili, da ima iz optičnega stališča boljše lastnosti slednja. Prav tako seje izkazala očitna prednost uporabe strukture pin v substrat konfiguraciji, kjer sta plasti p in / izdelani iz a-SiC:H s širšo optično režo. Pri čemer naj bo, zaradi dobrega kvantnega izkoristka, debelina prednje plasti p čim tanjša. Debelina plasti i pa je pogojena z razmerjem med absorbirano svetlobo v UV in vidnem spektru. Primerjava potekov spektralne občutljivosti različnih detektorskih struktur je pokazala, da je z linearno kombinacijo široko- in ozko-pasovnega detektorja dosežemo dobro korelacijo z dejanskim UV indeksom. Na koncu opišemo koncept karakterizacije celotnega UV sistema, ki bo opravljena, ko bodo odpravljene težave z depozicijo UV detektorja na bralno elektroniko. Za karakterizacijo bi potrebovali ustrezen UV izvor s poznanim spektrom in referenčni senzor UV indeksa. Končni cilj razvoja UV senzorja je izdelati cenovno sprejemljiv senzor UV indeksa, ki bi integriral UV indeks vse do minimalne eritemalne doze sevanj, ki predstavlja zgornjo mejo zdrave izpostavitve sončnim žarkom. Ker se izhodi pretvornikov med seboj razlikujejo, smo za vsakega od njih predvideli posebno logiko za določanje eritemalne doze sevanja. Ko bi uporabnik dosegel minimalno eritemalno dozo sevanja, bi ga na to opozoril pisk piezo piskača. 6 Abstract The aim of a Master's thesis is based on characterization of different read-out concepts to achieve optimal read-out converter for practical realization. Where important role in practical realization of each converter has measured input range, non-linearity, dynamic properties and noise properties as well as simple transformation electrical output signal into UV index and minimal erythemal dose, which represent upper limit of healthy sunlight exposure. In the introduction, compatibility of the thin film semiconductor technologies with application specific integrated circuitry is described. Then we explain demands and features of thin film amorphous silicon detectors for wavelengths that correspond to ultraviolet, visible or infrared light. At the end we performed brief overview of an application specific integrated circuit from its beginning to nowadays. In the second chapter, as far as it is needed for measurements, brief explanation of the each read-out converter is given: /-/converter, which output current of the detector converts into frequency of the output signal of the converter; I-U converter, which output current of the detector converts into output voltage of the converter; A-D converter, which output current of the detector converts into digital output signal; and /-/ converter, which at the input side of each previous converters serves only for protection purposes of read-out electronic. Besides that we describe planning and defining thickness of each UV detector layer. The read-out electronic is prepared for direct deposition of a-SiC:H pin structure on its top, thus we show all part of deposition pin diode on the top of read-out electronic and plasma-enhanced chemical vapour deposition. At the end we illustrate a custom designed test board, which is used for measurement purposes, and includes additional peripheral electronics and voltage supply. The third chapter, which focuses on characterization, is the most extensive, since it represents the heart of my research work. We were mainly focused on electrical properties of read-out converters. Due to different demands, regarding source and shape of converter's output signal, specific measurement methods were used for each converter. Therefore at the beginning measurement methods for obtaining static, dynamic and noise properties of each converter are described in detail. Afterwards for each converter results of characterization are presented, where static, dynamic and noise properties are described in detail. In case of static properties we publish input current range, transfer characteristic, its fitted transfer characteristic and non-linearity. Using dynamic properties we depict behavior of converter at sinus input current, but in case of the 7 Abstract /-/'converter that is not realized, because the converter is a non-linear system. Therefore we give a relation among input current amplitude, input signal frequency and reference voltage of the converter. Noise represents a limit for detecting input signal of a detector and also UV sensor, thus we have to pay special attention on noise properties. At I-f converter we measured relation between current noise density and input current and found out that current noise density linearly increases with input current. Since the I-U converter is a linear system, its noise model was elaborated, which consist of equivalent input noise current and equivalent input noise voltage. Both noise densities give us correct picture of noise at the 1-U converter where voltage noise density decreases with input resistance, in contrast to current noise density, which is independent of input resistance. At the analog-digital converter current noise density consist of a quantization noise, which was minimized using special low-pass Butterworth filters with different cut-off frequencies. A flat noise spectrum is achieved using a second-order low-pass filter with a cut-off frequency at 600 Hz. In addition we describe the UV detector from the point of view of optical, electrical, optoelectrical, dynamic and noise properties. In order to achieve high sensitivity of detectors in the UV spectrum, optical properties of nip and pin structures were examined. From the optical point of view the best properties exhibits pin structure. The same results can be obtained from electrical point of view. Moreover it turned out that pin structure in substrate configuration, where p and i layers are made of a-SiC:H with wide optical gap, is the most promising structure for the UV applications. In order to achieve good quantum efficiency the thickness of p layer should be as thin as possible. Thickness of i layer depends on the ratio between absorbed light in the UV and visible spectrum. Comparison of spectral responses in the UV spectrum showed, that with a linear combination of two detectors, where one has narrow and the other wide selectivity, can achieve good correlation with UV index. At the end of the thesis, we represent conceptual solution for characterization of the complete UV detection system, whose fabrication is underway. For characterization purposes a UV source with a known spectrum is needed to stimulate our UV sensor and for comparison a reference UV sensor. The final goal of our research is to manufacture a low cost UV sensor that is capable of integrating an UV index up to minimal erythemal dose, which represent upper limit of healthy sunlight exposure. Since output signals of converters are different, thus for each of them special logic electronic was designed to measure erythemal dose. When a minimal erythemal dose of sunlight exposure is reached, a user will be warned with a buzzer, 8 Kazalo ZAHVALA.............................................................................................................................................................3 POVZETEK..........................................................................................................................................................5 ABSTRACT...........................................................................................................................................................7 KAZALO...............................................................................................................................................................9 SEZNAM UPORABLJENIH SIMBOLOV IN KONSTANT.........................................................................11 SEZNAM UPORABLJENIH OKRAJŠAV......................................................................................................12 1 UVOD.........................................................................................................................................................13 1.1 TANKOPLASTNI DETEKTORJI............................................................................................................... 14 1.2 Namensko integrirano vezje........................................................................................................17 2 OPIS OPTOASIC-A IN TESTNE PLOŠČICE......................................................................................19 2.1 RAZLAGA VEZIJ BRALNE ELEKTRONIKE.............................................................................................. 19 2.1.1 1-fpretvornik................................................................................................................................. 19 2.1.2 1-U pretvornik................................................................................................................................21 2 J. 3 A-D pretvornik...............................................................................................................................22 2.1.4 1-1 pretvornik.................................................................................................................................23 2.2 Razlaga samostojnega UV senzorja...........................................................................................24 2.3 Integracija detektorja na ASIC..................................................................................................31 2.4 Izdelava testne ploščice...............................................................................................................35 3 KARAKTERIZACIJA..............................................................................................................................39 3.1 Opis merilnih metod........................................................................................................................39 3.1.1 1-fpretvornik.................................................................................................................................39 3.1.2 1-U pretvornik................................................................................................................................44 3.1.3 A~D pretvornik...............................................................................................................................48 3.2 REZULTATI KARAKTERIZACUE PRETVORNIKOV..................................................................................50 3.2.1 f-fpretvornik.................................................................................................................................50 3.2.1.1 Določitev optimalne referenčne napetosti...........................................................................................50 3.2.1.2 Prenosna karakteristika /-/pretvornika................................................................................................52 3.2.1.3 Dinamične lastnosti /-/pretvornika.....................................................................................................54 3.2.1.4 Šumne lastnosti /-/pretvornika............................................................................................................54 3.2.2 1-U pretvornik................................................................................................................................61 3.2.2.1 Prenosna karakteristika 1-U pretvornika..............................................................................................61 3.2.2.2 Dinamične lastnosti 1-U pretvornika................................................................................................... 62 3.2.2.3 Šumne lastnosti 1-U pretvornika...........................................................................................................64 3.2.3 A-D pretvornik............................................................................................................................... 70 3.2.3.1 Prenosna karakteristika A-D pretvornika............................................................................................70 3.2.3.2 Šumne lastnosti A-D pretvornika........................................................................................................73 3.2.4 Povzetek lastnosti pretvornikov bralne elektronike....................................................................... 75 3.2.4.1 Statične lastnosti pretvornikov............................................................................................................75 9 Kazalo 3.3 KARAKTERIZACUA SAMOSTOJNIH UV DETEKTORJEV.........................................................................78 3.3.1 Električna analiza UV detektorja..................................................................................................78 3.3.2 Optoelektronska analiza UV detektorja.........................................................................................80 3.3.3 Dinamične lastnosti UV detektorja................................................................................................82 3.3.4 Šumne lastnosti UV detektorja.......................................................................................................84 3.4 KarakterlzAC1JaOptoAS1C-A.......................................................................................................87 4 NADGRADNJA OPTOASIC-A V SISTEM...........................................................................................91 5 ZAKLJUČEK............................................................................................................................................95 6 PRILOGE...................................................................................................................................................97 7 LITERATURA...........................................................................................................................................99 IZJAVA..............................................................................................................................................................101 10 Seznam uporabljenih simbolov in konstant C [F] E [V/cm] Ec m ES{1) t-] Ev [eV] e [As/Vcm] La [As/Vem] er [-] f [Hz] G [S] H{(o) [-] I [A] h [A] MED [J/m2] Detektorji UV svetlobe V zadnjem času se predvsem zaradi večje ozaveščenosti ljudi o zdravju Škodljivem sevanju sonca, ponuja mnogo aplikacij široke potrošnje za merjenje UV indeksa, UV del spektra se razteza v območju valovnih dolžin od 10 nm do 400 nm, kar ustreza energijam fotona od 124 eV do 3.1 eV. V največ primerih gre za detektorje na osnovi diode pn, plazovne diode in UV občutljive CCD strukture, ki pa so zaradi majhne optične reže materiala, mnogo bolj občutljive v vidnem in bližnjem infrardečem spektralnem področju. V zadnjem desetletju pa se je razvilo področje tankoplastnih a-Si:H detektorjev UV svetlobe, kjer srečamo predvsem strukture pin [7][8][9j\ V materialu amorfnega silicija je veliko defektnih področij, zato se nosilci naboja zelo hitro rekombinirajo, kar ima za posledico kratke difuzijske dolžine. Struktura pin, ki s pomočjo vgrajenega električnega polja uspešno ločuje svetlobno generirane nosilce naboja, zmanjšuje Število rekombiniranih nosilcev, ter tako povečuje izkoristek izbiranja svetlobno generiranih nosilcev. Na tem področju najboljše rezultate dosegajo v dveh raziskovalnih skupinah. Raziskovalna skupina iz Rima je za povečanje izkoristka uporabila zelo tanko prednjo plast/? (5 nm) v kombinaciji s kovinsko kontaktno mrežo. Vendar so z uporabo kovinske kontaktne mreže naleteli na dodaten problem (metastabilni efekt), zaradi katerega odziv detektorja ni linearen. Za zmanjšanje občutljivosti v vidnem delu spektra so uporabi za plast p in i a-SiC:H s širšo optično režo in tanko plastjo i (30 nm). Raziskovalna skupina univerze Siegen iz Nemčije se je prav tako lotila razvoja senzorjev na tankih plasteh na ASIC-u (TFA), kjer so izdelali detektor z nekoliko debelejšimi plastmi za detekcijo v UV-A in UV-B spektru. Kot prednjo kontaktno plast so uporabili prevodni 14 Uvod prosojni oksid (TCO) debeline 300 nm in zelo tanko plast aluminija (9.5 nm). Z uporabo tanke prosojne plasti aluminija so nekoliko izboljšali odziv detektorja v UV-B delu. Da bi prilagodili spektralni odziv detektorja za meritve UV indeksa so morali, z interferenčnim filtrom, nekoliko zmanjšali občutljivost v UV-A delu spektra. Z večanjem zaporne napetosti na strukturi so povečevali odziv v UV-B delu spektra in zmanjševali odziv v UV-A spektru. Vendar s to tehniko niso uspeli izdelati detektorji, z dovolj dobro selektivnostjo v UV-B delu spektra, brez uporabe interferenčnega filtra. > Detektorji vidne svetlobe Tankoplastne detektorje vidne svetlobe delimo na črno-bele in barvne detektorje, vendar se v zadnjem času posvečajo predvsem slednjim. Rdeča, zelena in modra so osnovne barvne komponente vidnega spektra, ki jih lahko dobimo z uporabo ustreznih detektorjev in/ali filtrov. Uporaba filtrov za posamezno barvno komponento je prekompleksna in cenovno nesprejemljiva rešitev. Veliko prikladnejsa je uporaba enega detektorja, ki ponuja hkrati vse tri barvne komponente. To je možno narediti z a-Si:H detektorskimi strukturami izdelanimi v vertikalni smeri. Tedaj vlogo barvnega filtra opravlja sama struktura.. Ob upoštevanju relacije med valovno dolžino vpadne svetlobe in energijsko režo polprevodniškega materiala ^[nmj pridemo do zaključka, da si detektorji posameznih barvnih komponent sledijo po naslednjem zaporedju (gledano z vrha navzdol): modra, zelena in rdeča. Ac je valovna dolžina v nm in Eg energijska reža v e V. S spreminjanjem velikosti energijske reže določamo valovno dolžino absorbiranih fotonov oz. svetlobe (UV, vidna ali bližnja IR). Na vrhu je detektorska struktura z največjo energijsko režo, ki je prozorna za svetlobo z nižjo energijo (Eg\ > Eg2 > Lgj). Modra Eg\ Zelena Eg2 Rdeča Egi Slika 1,3: Razporeditev detektorskih struktur za zaznavanje posameznih barvnih komponent vidne svetlobe V začetni fazi so se za detekcijo dveh (R, B) ali treh barvnih komponent (R, G in B) uporabljale strukture PINIP in NIPIN, ki sta nasproti si vezani strukturi. Vendar je slednja kazala dobre lastnosti le v ozkem področju valovnih dolžin zelene barve. Izboljšana različica tribarvnega detektorja je a-Si:H heterostruktura s tremi priključki TCO/PIN/TCO/PINIP/TCO/kovina in TC O/TIN IP/TCO/PiN/TCO/kovi na, ki potrebuje za pravilno delovanju ustrezno zaporno napetost [10]. 15 ____________________________i. poglavje_________________________________________ > Detektorji IR svetlobe Detektorji amorfnega silicija se uporabljajo tudi za detekcijo v bližnjem IR področju, vendar so nekateri detektorji narejeni že za večje valovne dolžine, tja do 4 um Valovne dolžine na območju med 1.3 um-1.5 um so splošno uporabljene za optične komunikacije oz. med 3 um - 5 um za nočno zaznavanje in požarne alarme. Energijska reža a-Si:H je standardno 1.7 eV, kar pomeni, da v osnovi detektira valovne dolžine v vidnem spektru. Zato je bilo potrebnega veliko truda, da bi absorpcijsko področje razširili proti večjim valovnim dolžinam (IR področje). Predvsem so želeli z a-Si:H direktno zaznavati v IR področju. Na tem področju so dobre rezultate dosegla Wind in Müller, ki sta izdelala diodo/?/« za detekcijo do valovnih dolžin 2400 nm. Sedaj IR detektorji bazirajo na merjenju fotokapacitivnosti („photocapacitance") v a-Si:H strukturi, vendar se pojavljajo le testni primerki. Ta metoda izkazuje dobre lastnosti pri detekciji do valovnih dolžin 4 p.m. Z njo premagamo omejitve z energijsko režo pri amorfnemu siliciju. Absorbirani IR fotoni v materialu vzbudijo prehod elektronov iz valenčnega pasa v lokalizirana stanja v prepovedanemu pasu. Po prehodu ostanejo elektroni ujeti na mestih, dokler ne padejo nazaj v valenčni pas. Primerjava naboja med ravnovesnim stanjem, ko ni prehoda nosilcev, in obsevanju z IR svetlobo, se kaže kot sprememba kapacitivnosti, iz katere dobimo informacijo o IR svetlobi. Detektorji so prav tako narejeni s postopkom PECVD in so podobni diodi/?/«, le s to razliko, daje srednja plast/ mikro dopirana, zato detektor nosi oznako pen. Srednja piaste je narejena iz silena in mešanice plinov 0.25 ppm PH3 in 18 ppm B2H6 [11]. 16 Uvod 1.2 Namensko integrirano vezje Namensko integrirano vezje (ASIC - „Application Specific Integrated Circuit"), ki opravlja določen set funkcij, je narejeno za določeno funkcijo in nima splošne namembnosti. Običajno so v primerjavi z primerljivimi standardnimi čipi cenejši in izkazujejo boljše električne lastnosti [11]. V začetku osemdesetih so se za načrtovanje uporabljala različna računalniška orodja, ki so na podlagi predhodno izdelanih sklopov, generirali iz visokonivojskega jezika (VHDL in Verilog) seznam povezav med posameznimi vrati. Nato se med vrati, ki so razporejena v obliki matrike, prav tako na podlagi seznama povezav, izdelajo fizične povezave. Načrtovalec vezij ASIC ima popolno kontrolo nad načrtovanjem posameznih tranzistorjev in njegovih lastnosti. Zato lahko vezje delujejo hitreje, ker je optimizirano in ne opravlja nepotrebnih nalog, kot je to pri uporabi standardnega integriranega vezja. Toda implementacija takega vezja je zahtevnejša, poleg tega pa je tudi večja verjetnost nastanka napake. Z razvojem so se zmanjšale dimenzije vezij in izboljšale njihove lastnosti, kajti maksimalno Število vrat oz. funkcij se je povečalo iz 5000 na 20 milijonov in v nekaterih primerih tudi na več. Sodobni ASIC-i vsebujejo tudi 32-bitne procesorje in večje vgrajene funkcijske bloke. Zato se posveča vedno več pozornosti elektroniki in malo manj programski kodi, Če je le-ta sploh uporabljena. 17 2 Opis OptoASIC-a in testne ploščice V tem poglavju opišemo osnovne gradnike UV senzorja in njihovo združitev, kakor tudi osnovne sklope testne ploščice. V razvojni različici UV senzorja so bili integrirani Štirje različni tipi bralne elektronike. Ti so: tokovno-frekvenčni, tokovno-napetostni, analogno-digitalni in tokovno-tokovni pretvornik. Na začetku so na kratko opisani posamezni tipi bralne elektronike in podane njihove lastnosti. V nadaljevanju siedi opis samostojnega UV detektorja, kjer je bilo prav tako predvidenih več razvojnih konceptov. Koncepti so se razlikovali po debelinah plasti p, i, in n. kakor tudi po tipu sprednje in zadnje plasti (strukture pin in nip). Bralna elektronika je zasnovana tako, da je možno s postopkom depozicije direktno nanesti posamezne plasti UV detektorja na njene priključne kontakte. Postopek nanosa posameznih plasti in njihovo zaporedje je opisano v predzadnjem podpoglavju. Na koncu opišemo vlogo posameznih sklopov testne ploščice, katere glavna vloga je zagotavljanje kvalitetnih povezav med integriranim vezjem, ki vsebuje štiri tipe bralne elektronike, in merilno opremo. 2.1 Razlaga vezij bralne elektronike Sledi opis štirih konceptov bralne elektronike, pri čemer je večja pozornost posvečena le prvim trem, ki opravljajo pretvorbo toka v neko drugo električno veličino, za razliko od tokovno-tokovnega pretvornika, katerega vloga je zaščita pred statično razelektritvijo. Pri opisu pretvornikov se nismo spuščali v poglobljeno razlago delovanja, ampak je delovanje razloženo na osnovnem nivoju, kar pa je dovolj za razumevanje delovanja. 2.1.1 //pretvornik Prvi od štirih pretvornikov bralne elektronike je tokovno-frekvenčni {I-f) pretvornik, ki glede na tok UV fotodetektorja generira pravokotne izhodne impulze, katerih pozitivni del impulza je proporcionalen toku. Poenostavljeno shemo /-/pretvornika prikazuje slika2.1. Da lahko zaznavamo nizke vrednosti temnega toka UV detektorja, pretvornik uporablja tokovno preslikavo vhodnega toka. Ref je referenčna napetost anode in znaša 1.5 V. V točki K vsiljujemo konstanten potencial z namenom dobiti neodvisen fototok od napetosti detektorja. Tako je temni tok določen s tokom nasičenja fotodiode, ki skupaj s Šumom določata spodnjo tokovno mejo detektorja. Ob vklopu pretvornika se izvrši reset cikel, v katerem je vozlišče O na 0 V, zato MOS tranzistor Tj prevaja in kondenzator C2 se napolni na napajalno napetost (5 V). V času reset cikla izhod pretvornika zavzame nizek napetostni nivo (0 V). 19 2. poglavje Napajanje: +5 V O V ¦5 V ov Slika 2.1: Poenostavljen shematični prikaz /-/pretvornika Čas reset cikla se z majhnimi nihanji, ki pa ne vplivajo na točnost pretvorbe, giblje okoli T. = 2.05 (is. Po končanem reset ciklu, pretvornik prične z integracijo vhodnega toka. Kar pomeni, da se napetost kondenzatorja po času t zmanjša na 1 h (2.1) kjer je urfj) trenutna napetost kondenzatorja, U„ap napajalna napetost in hkrati začetna napetost na kondenzatorju, iph(t) fototok UV detektorja, t\ začetni čas integracije in tj končni čas integracije. Referenčna napetost t/rc/2 je eksterno nastavljiva in določa napetost preklopa (priporočljiva vrednost 1.5 V). Napetost kondenzatorja se v vsakem trenutku primerja z referenčno napetostjo Ure/2. Ko se napetost kondenzatorja spusti pod mejo U^fi, pretvornik zamenja stanje izhoda iz visokega v nizki napetosti nivo (5 V-* OV). Glede na velikost ipt, se spreminja pozitivna perioda pravokotnega izhodnega signala. Vrednost vhodnega toka ne sme preseči meje 50 uA. Če za primer privzamemo konstanten vhodni tok (ipt,(t) = konst.), bi imeli naslednja poteka napetostnih nivojev na kondenzatorju in izhodu pretvornika (slika 2.2). 20 Opis OptoASIC-a in testne ploščice Slika 2.2: Ob konstantnem vhodnem toku napetost na kondenzatorju linearno upada. Izhodna napetost pa je za Cas integracije na visokem napetostnem nivoju. 2.1.2 I-U pretvornik Naslednji je I-U pretvornik, ki proporcionalno glede na vhodni tok generira ustrezno izhodno napetost. To je v bistvu transimpedančni ojačevalnik. Shematični prikaz pretvornika prikazuje slika 2.3. V bistvu gre za polno diferencialni transkonduktančni ojačevalnik z diferencialnim vhodom in izhodom. Prednost polno diferencialnega ojačevalnika je za V2 večje dinamično območje in možnost priključitve plavajočega tokovnega izvora. V obeh povratnih vezavah ima RC člena, ki določata zgornjo mejno frekvenco. Določena je z enačbo (2.2) J m 1 1-n-R-C kjer je R upornost upora (100 kLl) in C kapacitivnost kondenzatorja (100 pF). A*, A (2.2) 16 kHz / Vezje CMF („common mode feedback") ustvarja analogno maso med U[ in ug, ki je enaka njuni srednji vrednosti. Zaradi simetričnosti pretvornika lahko obravnavamo le eno polovico. Priporočljiv razpon vhodnega toka je med ±15 uA. 21 2. poglavje Slika 2.3: l-V pretvornik je simetričen, zato je za njegovo analizo dovolj, če obravnavamo le eno od polovic. 2.13 A-D pretvornik Z razvoj pol prevodni ške industrije, predvsem zmanjšanje dimenzij tranzistorjev, vedno več naprav ponuja digitalni izhodni signal. Zato je bil kot tretji koncept bralne elektronike realiziran analogni del sigma-delta A-D pretvornika (L-A modulator 2. reda, slika 2.4), ki na svojem izhodu ponuja 1 bitni signal, katerega povprečje je sorazmerno vhodni napetosti (bit-stream). _nnruiJiJLTTinjuiJLTi Arhitektura Delta-sigma A-D pretvornika je prikazana na sliki 2.4. Če se A-D pretvornik izkaže kot najboljši pretvornik, se bo del, ki je na sliki prikazan s pikicami, realiziral v končni različici. Vloga decimatorja je zmanjševanje kvantizacijskega šuma in je običajno nizkopasovni filter drugega ali višjega reda. Anti-alias filter J" r Loop filter 2. reda L' , 1 Kvantizator ......* ¦¦ -M Decimator K v D-A pretvornik Slika 2.4: Arhitektura L-A A-D pretvornika 22 Opis OptoASIC-a in testne ploščice Anti-alias filter prepušča spekter vhodnega signala do mejne frekvence in oslabi spektralne komponente nad to frekvenco. Zančni filter 2. reda („Loop filter") ima dvojno nalogo; zmanjševanje kvantizacijskega šuma in prepuščanje signala do frekvence, ki še vsebuje informacijo o vhodnem signalu. Sledi eno-bitni kvantizator in eno-bitni digitalno-analogni pretvornik. Eno bitni kvantizator je v bistvu komparator, katerega izhod se odšteje od vhodnega signala, ki ga digitaliziramo [12]. Signalyje eno-bitni („bit-stream") izhodni signal našega pretvornika. S povratno vezavo oblikujemo spekter kvantizacijskega šuma. Pretvornik pretvarja vhodno napetost ali posredno tok, kot padec napetosti na internima uporoma R\ na vhodu pretvornika. Interna upora R[ oz. meritev vhodnega toka vključimo s stikalom SRES (slika 2.5). KA- Ä, SRES T J n, U.,i.<- 1 X Slika 2.5: Tok merimo posredno kot padce napetosti na dodatnih internih uporih, ki jih vključimo s stikalom SRES. Ko vključimo upore, imamo od nič različno napetost na vhodu pretvornika in diodi, kar si pa ne želimo, če hočemo meriti tudi nizke vrednosti temnega tok. Posledica vključitve uporov je nelinearna prenosna karakteristika in višji temni tok. Maksimalna vhodna napetost pretvornika Ummax\ç, enaka U,. U refp U refi) 4i (2.3) kjer je Urefp pozitivna referenčna napetost in Urefil negativna referenčna napetost. Če kljub temu povečujemo vhodno napetost, zaidemo v nelinearno področje pretvornika. 2.1.4 /-/pretvornik Kot četrti koncept bralne elektronike je bil realiziran tokovno-tokovni pretvornik, katerega naloga je zaščita pred statično razelektritvijo. Njegov izhod je praktično enak vhodu, zato ga v nadaljevanju ne bomo obravnavali. Njegova upornost znaša 77 Q. 23 2. poglavje 2.2 Razlaga samostojnega IIV senzorja Cilj tega podpoglavja je opisati delovanje in lastnosti strukture za detekcijo svetlobe v ne-vakuumskem UV spektru, ki bo hkrati Čim manj občutljiva na vidno svetlobo. UV detektorje element s katerim pretvarjamo optično moč v električno oz. fotonski tok v tok nosilcev elektrine. Ker je pomemben gradnik senzorskega sistema mora zadostovati naslednjim zahtevam: • velika občutljivost v UV spektru, • linearnost, • velik kvantni izkoristek. • kratek odzivni Čas, • veliko razmerje signal-šum, • stabilnost, • zanesljivost in • majhne fizične dimenzije. Osnovni smernici pri izbiri optimalne strukture sta: • omogočiti Čim večjo absorpcijo svetlobe v ne-vakuumskem UV delu svetlobnega spektra od 200 nm do 400 nm in • doseči čim manjšo absorpcijo vidne svetlobe v aktivnih plasteh strukture. Energije vpadne sončne svetlobne na površino detektorja ni možno v celoti izkoriščati za nastanek para elektron-vrzel, ker seje del odbije (upoštevamo R Fresnelov odbojni koeficient mejne plasti). Energija prodirajoče svetlobe skozi detektor se polagoma porablja, zato svetlobna moč eksponentno upada in je na globini x enaka P(x) = (l-R)-P0-e-aU>x, (2.4) pri čemer je Po vpadna moč in a(A) absorpcijski koeficient materiala pri dani valovni dolžini. Slika 2.6 prikazuje odvisnost absorpcijskega koeficienta a(Â) od valovne dolžine X za nekaj najbolj uporabnih materialov za fotodetektorje. 24 Opis OptoASlC-a in testne ploščice 5 4 3 2 I h lili! I ! *----Energija fotonov (eV) | 0.9 0.8 0.2 04 0,fi 0.8 1.0 i.2 1.4 1.6 1.8 Valovna dolžina (tim) Slika 2.6: Absorpcijske krivulje za najznačilnejše poiprevodniške materiale (silicij, germanij, galij ev arzenid, indij galij arzenid, indij galij arzen fosfor) Naslednji pojem pri detektorjih je kvantni izkoristek QE, kije definiran kot razmerje med številom parov elektron-vrzel, generiranih v fotodetektorju, in številom vpadnih fotonov QE = tvorjeni pari elektron - vrzel vpadni fotoni (2.5) Eden izmed glavnih dejavnikov, ki določajo kvantni izkoristek detektorjev, je absorpcijski koeficient materiala detektorja. Kvantni izkoristek detektorjev, ki je pogosto izražen v procentih, je vedno manjši od 100 %. Odvisen je od absorpcije, ker se vsi vpadni fotoni ne absorbirajo, in s tem ne ustvarijo parov elektron-vrzel. Glede na absorpcijsko krivuljo je kvantni izkoristek odvisen tudi od valovne dolžine svetlobe. Povečamo ga z zmanjšanjem odbojnosti vpadnega žarka na površini detektorja, s povečevanjem absorpcije znotraj osiromašene plasti in zmanjšanjem ustvarjanja parov elektron-vrzel zunaj osiromašene plasti ali neaktivnih plasti, kjer je velika verjetnost, da se novo nastali par elektron-vrzel rekombinira, še preden dospe do aktivnih plasti oz. priključnih kontaktov. Pogosto za določanje zmogljivosti fotodetektorja uporabljamo spektralno občutljivost SR, ker izraz za kvantni izkoristek QE ne zajema energije fotonov. Definiramo jo kot W (2.6) kjer je /p izhodni fototok v amperih in P0 vpadna moč v wattih. Spektralna občutljivost je pomemben parameter fotodetektorja, ker podaja prenosno karakteristiko detektorja, ali z 25 2, poglavje drugimi besedami, fototok na enoto vpadne optične moči. Če v enačbo za spektralno občutljivost vključimo kvantni izkoristek dobimo enačbo SR = QEqX he (2-7) iz katere ugotovimo, da je spektralna občutljivost linearno odvisna od kvantnega izkoristka in valovne dolžine. V nadaljevanju si poglejmo osnovne lastnosti in zgradbo diode pin, ki bo osnova našega UV detektorja. Kot že ime pove, je sestavljena iz treh različno dopiranih plasti. Med plast/? in n vgradimo plast čistega intrinzičnega polprevodnika, katerega običajno nadomesti polprevodnik s šibko koncentracijo akceptorjev ali donorjev. Če je i plast rahlo tipa«, jo poimenujemo plast v oz. plast / z majhno koncentracijo akceptorjev se imenuje plast te, Zgradbo fotodiode pin, prostorski naboj in vgrajeno električno polje prikazuje slika 2.7. Sprednji kontakt \ .«-----w- Zadnji kontakt Slika 2.7: a) Zgradba diode pi«, b) prostorski naboj in c) vgrajeno električno polje Prostorski naboj, ki se pojavi v osiromašenih področjih dopiranih polprevodnikov, povzroči električno polje, kije določeno s Poissonovo enačbo dx L_ L (2.8) 26 Opis OptoASIC-a in testne ploščice Pri Čemer je v p+ plasti p = -q-NAi v n plasti p = q-No in v plasti i je p = 0. zato je v plasti i vgrajeno konstantno električno polje, ki ga povzročata prostorska naboja plasti v p+ in n . To polje deluje tako, da povzroča nasprotno delujoči sili na svetlobno generirane elektrone in vrzeli. Poleg difuzije se pojavi še konduktivna komponenta fototoka. Hkrati pa je zbiranje svetlobno generiranih nabojev mnogo hitrejše, kot če bi bil edini način transporta difuzija nabojev. Vgrajeno električno polje v plasti / pospešuje zbiranje svetlobno generiranih elektronov in vrzeli, ter tako zmanjšuje verjetnost njihovih rekombinacij. Vmesna plast /je lahko zelo široka, zato je verjetnost absorpcije fotona v plasti i, v primerjavi z plastjo n in p, zelo velika, le če sta debelini plasti p in n majhni. Vpliv fotogeneri ranih parov elektron-vrzel izven zapornega področja je pri diodi pin zanemarljiv. Ločitev dveh tankih plasti z pozitivnimi in negativnimi naboji predstavlja ploščati kondenzator s spojno kapackivnost, ki je določena z naslednjo enačbo C = L<3'Lr'A, (2.9) W kjer je A prečni presek in so dielektriČna konstanta, e, relativna dielektričnost plasti i, W debelina plasti i. Kljub temu, da difuzijska komponenta toka prispeva majhen delež skupnega toka, je pomemben motilni pojav, ki podaljšuje odzivni čas diode. Diodo lahko predstavimo kot kondenzator, ki skupaj z obremenilno upornostjo R in izgubno upornostjo R, predstavljata RC člen, ki vnaša zakasnitev detektiranega signala. Odzivni časpin fotodiode je odvisen od: • tranzitnega časa v=d/v na poti skozi osiromašeno plast, • difuzijskega časa nosilcev, ki so nastali zunaj osiromašene plasti in • RC časovne konstante. Tranzitni čas lahko zmanjšamo s povečanjem hitrosti nosilcev, kar naredimo s povečevanjem električnega polja. Pri velikih vrednostih električnega polja se hitrost nosilcev več ne pokorava enačbi p^E (/^ - mobilnost), ampak se približuje končni hitrosti (nasičenje). Povedano velja za oba tipa nosilcev naboja (slika 2.8). 27 2. poglavje I I I 11 111] I I I I I 111] I I !¦ I I ILI) 10= 10s 107 Električno polje (V / m) Slika 2.8: Odvisnost hitrosti elektronov in vrzeli od električnega polja v siliciju Iz povedanega lahko zaključimo, daje za optimalno strukturo diode potreben kompromis med odzivnim časom in kvantnim izkoristkom diode. Velika osiromašena plast pomeni dober kvantni izkoristek svetlobe in s tem majhen delež difuzijskega toka, majhno kapacitivnost, vendar zato velik odzivni čas. Za načrtovalsko izhodišče našega UV detektorja smo izbrali strukturo pin z dimenzijami in materiali plasti: p (5 nm a-SiC:H) - i (30 nm a-SiC:H) - n (100 nm a-SiC:H). V vseh plasteh, kjer je možno, smo izbrali material a-SiC:H z Širšo optično režo (Lg = 2 e V) kot pri klasičnih a-Si:H (Lc= 1.74 eV). To ima za posledico hitrejši upad absorpcijskega koeficienta z nižanjem energije fotonov oz. z večanjem valovne dolžine. Poleg aktivne strukture pin potrebujemo za izgradnjo celostnega detektorja kontaktne plasti na obeh straneh. Poznamo superstrat ali substrat konfiguracijo detektorja (slika 2.9), ki se ločita po legi substrata glede na smer vpadne svetlobe. Substrat je nosilec celotne strukture in je običajno posebna vrsta coming stekla. 44444-, Slika 2.9 Superstrat (a) in substrat (b) koncept strukture detektorja, ki se razlikujeta v smeri vpadne svetlobe glede na nosilni substrat. 28 Opis OptoASIC-a in testne ploščice Izbira konfiguracije je odvisna od valovne dolžine detektirane svetlobe, tehnologije in izdelave. Prav tako si ne želimo absorpcije svetlobe v substratu in priključnih kontaktih, zato naj bodo le-ti skrbno izbrani. Pri superstrat konfiguraciji se večina želenega spektra, vse do 600 rim, absorbira v neaktivnih plasteh, za razliko od substrat konfiguracije, pri kateri se večina spektra absorbira v aktivnih plasteh, zato je tudi primernejša za detekcijo UV svetlobe. V detektorskih sistemih srečamo oba zaporedja aktivnih plasti na smer vpadne svetlobe, to sta nip in pin. Pri strukturi nip je v prednji plasti večja absorpcija svetlobe v UV-C spektru in hkrati večja refleksija v UV-B in UV-A spektru, kot pa pri strukturi pin, kar je posledica ožje optične reže a-Si:H materiala plasti n in posledično drugačnega absorpcijskega koeficienta. V splošnem je pri strukturi/?/« večja absorpcija UV svetlobe v aktivni plasti i kot pri strukturi nip. Prav tako absorpcija vidnega spektra svetlobe govori v prid pin strukture. Iz optičnega stališča je struktura/?/« v substrat konfiguraciji bolj ustrezna kot struktura nip. Če želimo imeti dobre lastnosti v UV spektru, je potrebno skrbno določiti debeline plasti. Poznano je, da se z večanjem debeline plasti p veča absorpcija v tej plasti, kar posledično zmanjšuje transmisijo svetlobe v plasti i in p. To najbolj izrazito vpliva na absorpcijo v plasti /. Ker predpostavimo, da plast/? ni aktivna, kar se tiče ločevanja svetlobno generiranih nosilcev naboja, potem naj bo ta čim tanjša, da zagotovimo čim večjo transmisijo UV spektra svetlobe v aktivno plast i. Minimalna debelina plasti/? je pogojena s tehnološkimi omejitvami depozicije, hkrati pa mora pri neki maksimalni koncentraciji dopiranja zagotavljati dovolj vgrajenega naboja, da se vzpostavi električno polje v plasti /. Optimalna debelina plast/? je bila izbrana 5 nm. Prav tako z večanjem debeline plasti i nima smisla pretiravati. Za debeline do meje okrog 20 nm se povečuje absorpcija UV dela spektra svetlobe, nad to mejo, pa se povečuje v glavnem le še absorpcija svetlobe v vidnem delu spektra. Debelina plasti /je torej pogojena predvsem z želeno selektivnostjo detektorja v smislu razmerja med absorpcijo v UV in vidnem delu spektra. Za detekcijo UV spektra je optimalna debelina plasti t med 10 in 20 nm. V našem primeru smo izbrali zgornjo mejo območje 20 nm. Tanjša plast/ zmanjšuje absorpcijo dela spektra svetlobe pod 400 nm, medtem ko pri debelejši plasti i prevlada absorpcija dela spektra nad 400 nm, ki pa nas več ne zanima. Pri tanjših plasteh / se pogosto pojavi efekt neželenih prevodnih mikrokanalov, ki povzročajo veliko parazitno "shunt" prevodnost in zmanjšanje dinamičnega območja detektorja. Večina UV dela spektra se absorbira v prvih dveh plasteh (p in /), zato s spreminjanje plasti n predvsem vplivamo na absorpcijo vidnega dela spektra. Ker je delež svetlobno generiranih električnih nosilcev v tej plasti zelo majhen, lahko zaključimo, da absorpcija svetlobe v tej plasti bistveno ne vpliva na lastnosti celotnega detektorja. S spreminjanje debeline plasti n preko odbojnosti lahko vplivamo predvsem na absorpcijo vidnega dela spektra v plasti /, kar se izkaže za najbolj ugodno pri debelini plasti n 20 nm. 29 _________________________________________2. poglavje_________________________________________ Zbrani električni naboj detektorja je potrebno preko priključnih kontaktov speljati na bralno elektroniko. Iz področja tankoplastnih sončnih celic in detektorjev so najbolj poznani naslednji tipi priključnih kontaktov, kijih delimo v tri skupine. E V prvi skupini so kontakti v obliki kovinske mrežice, ki so poznane tudi iz monokristalne tehnologije. Njihova slabost je zastiranje vpadne svetlobe, zato je potreben kompromis med kvantnim izkoristkom, ki smo ga pripravljeni žrtvovati, in kontaktno upornostjo. Potrebno senčenje je precej odvisno od difuzijske dolžine nosilcev naboja in se pri tovrstnih detektorjih giblje okrog 50 %. Pri uporabi kovinske mrežice se na mestih, kjer ni senčenja, pojavlja refleksija od prednje plasti detektorja, ki ob 50% senčenju, z upoštevanjem refleksije od detektorja na mestih, kjer ni senčenja, v celotnem spektru doseže približno 25 % transmisijo v detektor. Tako nizka transmisija je v veliki meri posledica refleksije, zaradi relativno velikega lomnega količnika materiala a-SiC:H. V drugi skupini so prosojni prevodni oksidi, kjer se uporabljajo oksidi različnih kovin, npr. cinka (ZnO) in kositra (SnC>2, ITO). Odlikuje jih Široka optična reža in dobra prepustnost za vidno svetlobo, medtem ko se jim pri krajših valovnih dolžinah (UV spekter) absorpcijski koeficient hitro poveča. ZnO:Al kot material za sprednji kontakt pri UV aplikacijah ni primeren. V tretjo skupino spadajo tanke delno prosojne kovinske plasti, za katere se največ uporablja aluminij, krom, zlato ali srebro. S trenutno tehnologijo nanosa teh kovin lahko izdelamo izredno tanke plasti, ki imajo še vedno zadovoljivo transmisijo svetlobe, kljub velikemu absorpcijskemu koeficientu. Iz primerjave različnih tipov priključnih kontaktov lahko zaključimo, da za sprednji kontakt, ki mora v detektor prepuščati velik del vpadne svetlobe, nista primerna prvi in drugi tip, zaradi njihove majhne transmisije. Uporaba zelo tanke plasti kovine, še posebej narejenih iz srebra, seje izkazala kot najboljši prednji kontakt. 30 Opis OpioASIC-a in testne ploščice 2.3 Integracija detektorja na ASIC ASIC je bil nacrtan in izdelan skladno s TFA konceptom v 3 \xm CMOS tehnologiji. Sestoji iz Štirih različnih konceptov bralne elektronike, ki so bili integrirani na silicijevi rezini velikosti 4 inče (Slika 2.10). Izplen rezine je zaradi nedelujočih čipov z roba rezine zmanjšan in je vedno pod 100%. V sredini rezine, kjer so delujoči čipi, sta pozicionirana tudi dva testna čipa, ki služita preverjanju procesa izdelave celotne rezine. Njihova vloga je torej test posameznih sklopov bralne elektronike, tranzistorjev, uporov, kondenzatorjev... Testni čipi ne opravljajo vlogo pretvornika. Priključni kontakti bralne elektronike so postavljeni tako, da je možna direktna depozicija UV detektorja (diodepin) na vrhnjo plast bralne elektronike. Razporeditev priključnih kontaktov za vse štiri tipe bralne elektronike prikazuje slika 2.11. ^. ^___ __ _ __ __ __ __ __ __ __ —WM^ %M-----------------------------rfv ~j UV ASIC čipi Defektni api Procesni testni äpi Slika 2.10: Rezina ÜV ASIC-a ¦- p p n BJ m o Ml ...M ¦i "* ¦ ¦ E ¦ Tm D!Ia ¦ DI pÉ m m m ¦ Depozicija diode pin na bralno elektroniko Preden pričnemo z depozicijo diode pin na vrh bralne elektronike, rezino obrežemo na približno 80 x 80 mm , ter jo vstavimo v nosilec, katerega celotna dimenzija znaša cca, 100 x 100 mm2 (slika 2.12). Slika 2.12: Nosilec rezine, v kateri je integrirana bralna elektronika. Dioda pin se bo s procesom depozicije zgradila na rezini, v kateri so integrirani štirje koncepti bralne elektronike. V rezini sta integrirani dve blazini metalnih priključnih kontaktov („front and back contact pads"), ki ju skupaj s celotno rezino prevlečemo z I um debelo plastjo izolatorja (slika 2.13a). Nato s 1. masko omejimo področje, nad blazinico zadnjega priključnega kontakta, kjer z reaktivnim ionskim jedkanja odstranimo izolator. Sledi nanos aluminijevega zadnjega kontakta, kjer z 2. masko določimo področje njegovega nanosa (slika 2.13c). Čez celotno rezino nato nanesemo plast m, ki jo z reaktivnim ionskim jedkanjem odstranimo na mestih, kjer je ne potrebujemo (slika2.13d in 2.13e). To je predvsem nad blazinico sprednjega priključnega kontakta („front contact pad"). Debelina plasti n je enaka 20 nm, kar je malo v primerjavi z debelino izolatorja (1 um), zato pri jedkanju ne pričakujemo konkretnega zmanjšanja debeline izolatorja. Sledi nanos aktivne plasti i in neaktivne plasti p (slika 2.13f). Sprednjo plast p je potrebno preko sprednjega priključnega kontakta povezati na blazinico zadnjega kontakta („pad of the /^-contact"), zato je potrebno pripraviti pot do nje. To naredimo z reaktivnim ionskim jedkanjem na mestu, ki ga določa 4. maska (slika 2.13g). 32 Opis OptoASlC-a in testne ploščice n) I» c) d) e) a) Rezina to Slika 2.13: Nanos diode pin na vrhnjo plast bralne elektronike 33 2. poglavje Sledi nanos sprednjega kontakta (Ag) na plast p in povezava z blazinico sprednjega priključnega kontakta (slika 2.13h). Na koncu odstranimo odvečen silicij, ki se nahaja na robovih rezine (slika 2.13i). Velikost blazinice sprednjega priključnega kontakta, ki je spojen na plast/?, je 100x100 um. Enake velikosti je tudi blazinica zadnjega kontakta („back contact pad"), pri čemer je njena maksimalna velikost pogojena z velikostjo zadnjega priključnega kontakta. Posamezne plasti UV detektorja so bile izdelane s postopkom plazemsko pospešene depozicije (PECVD). Nanos opravljamo s plazma metodo, kjer sta obe elektrodi stimulirani z visokofrekvenčnim signalom. Substrat se nahaja na spodnji elektrodi. Da dosežemo uniformno strukturo, plini upadajo na strukturo z zgornje elektrode. Običajno se uporabljajo naslednji plini: C2H2, CH4, C2H4, C2H6. Posamezne plasti UV diode/?*'« so izdelane z zaporednim premikanjem substrata v ločene komore, v katere med procesom nanašanja, uvajamo ustrezne mešanice plinov (slika 2.14). Z nanašanjem posameznih plastni v ločenih komorah dosežemo minimalno kontaminacijo med plastmi. Dobre lastnosti depozicije so: možnost nanosa na velike površine, majhna poraba energije, možnosti nanosa na različne substrate z različnimi oblikami in depozicija pri nižjih temperaturah pod 250 °C. substrat vakuum Slika 2.14: Shematični prikaz izdelave diode pin v ločenih komorah plazemskega vakuumskega sistema 34 Opis OptoASIC-a in testne ploščice 2.4 Izdelava testne ploščice Za natančno določitev specifikacij oz. lastnosti merjenca je potrebno zagotoviti kvalitetno merilno opremo, kakor tudi povezave merjenca z merilnimi instrumenti. Kajti že z nezanesljivimi in nekvalitetnimi povezavami lahko razvrednotimo meritve. Zato smo izdelali testno ploščico za zagotavljanje zanesljivih povezav na relaciji vzbujanje - vhod merjenca in izhod merjenca-izhodni priključni kontakti. Testna ploščica vsebuje tudi napetostne regulatorje za potrebe napajanja celotnega vezja in napetostne reference. Hkrati omogoča tudi enostavnejši priklop sond na kontakte merjenca. Bralna elektronika za pravilno delovanje potrebuje: • ±2.5 V napajalni napetosti, • 1.5 V napetost anode Urej\ pri //pretvorniku, • nastavljivo referenčno napetost Urej2 pri /-/pretvorniku in • ±0.6 V referenčni napetosti (Ure/P in Ure/„) A-D pretvornika. Celotno vezje napaja 12 V svinčena baterija ES 7-12. Napajalni napetosti ±2.5 V sta realizirani z integriranima napetostnima stabilizatorjema LM317 in LM337, ki sta prav tako baterijsko napajana. Regulatorjema so dodani zunanji upori za nastavitev zahtevane izhodne napetosti (Slika 2.15). A', LM317 IN ADJ Rl4 P R 13 Kj - AGND «15 R A-, Tj ih ADJ IN OUT LM337 -•r, ss Slika 2.15: Regulacija napajalne napetosti OptoASIC-a Enačba (2.10) določa relacije med zunanjimi upori in izhodno napetostjo regulatorjev u2=uref (2.10) kjer je Ure/ referenčna napetost (1.25 V), R13, R14, R15 in R!6 upornosti zunanjih uporov ter U2 stabilizirana izhodna napetost (C/2 = Vod - AGND). Vrednosti uporov so bile Ri3=Ri4-Ri5 = Ri6~ lOkfi. Kontakt AGND predstavlja analogno maso. Po podobnem postopku smo določili vrednosti uporov R;5 in Ris za negativno napajanje -2.5 V. Hkrati pa 35 2. poglavje smo z uporabo regulatorjev zmanjšali vpliv nihanj in upada napetosti baterije na delovanje OptoASIC-a. Pri I-f pretvorniku smo napetost anode Urej\ in referenčno napetost Ureß realizirali z uporovnim delilnikom, ki ga sestavljata fiksni upor R\2 = 30 kii in spremenljivi upor Pi oz. P2 (Pi =P2 = 100 kn, „multitum"). Vm 1 R *DD 12 a ,,;/.' T R 12 Ü, rtfi V Vss VB Slika 2.16: Referenčni napetosti U,^t in V,^ sta bili realizirani z uporovnim delilnikom. Referenčni napetosti {Vrefa KreJj,) A-D pretvornika sta prav tako realizirani z uporovnim delilnikom (slika 2.17). Da bo referenčna napetost Unjp = +0.6 V, mora bi ti razmerje med Ri in vsoto Ri,R2 in Rn Ä, 0.6 V R^Rj+R^ 2.5 V = 0.24 V. (2.11) Zahtevano razmerje dosežemo a sledečimi vrednostmi uporov: Ri = 30kii, R2=l0kQ in R23 = 2 kfl. /?- -K re> ^GJVĐ *¦ fi, fi 24 Ra ^KZZHZZl- - K re> Slika 2.17: Referenčni napetosti A-D pretvornika sta bili realizirani z uporovnim delilnikom. /-L/ pretvornik ima diferencialni vhod, zato smo za njegovo vzbujanje uporabili ojačevalnik z diferencialnem izhodom AD8138, ki ima vhod vezan proti masi in plavajoči izhod. Popoln načrt testne ploščice in vrednosti preostalih uporabljenih elementov so navedene v 6. poglavju. 36 Opis OptoÄSIC-a in testne ploščice ipOÇZhlIlUJOKlftjd o V I 1 o o o ------1~" UI g p I » i i |po< dnsDäCSDiDsClDB j j OGlDiCgriDl CZ2S 3* ipogz^ifiujĐJ^ajd j-j E3 ¦? "3 ^ u I k uiSiî ¦2 's 'a Q= 00 $SŠ II C« 5 ¦-pisj- D D D EK5[ t ? H M imjuAtajd r-J I VX1NOU1M313 VNIVUa [»] nTh D D D D D HM !Hlj (poqA-^Kijo^tajd Qv DDDD i n 1POMZI u FLF , î î tP°M» |D p DU I D D im™»»"'' M šfBBi »M JO «¦--a la "»¦-«a I Basi!« p»öö ill Slika 2.IS: Razporeditev elementov na testni ploščici É? t* | * » «¦ *-## t Sfe * frit1 * "** v- «'M^ M ¦MI ;*¦- Slika 2.19:Fotografija testne ploščice z vrha 1* 37 3 Karakter izaći ja Karakterizacija predstavlja glavnino magistrske naloge in vsebuje večino mojega raziskovalnega dela. Vsebinsko je razdeljena na štiri podpoglavja. V začetnem poglavju opišemo merilne metode za posamezen pretvornik bralne elektronike. Opisane so metode za določitev prenosne funkcije, dinamičnih in Šumnih lastnosti. Predvsem smo se posvetili razlagi merilne metode za določitev lastnosti 1-f pretvornik. Nato sledijo rezultati karakterizacije pretvornikov, kjer smo določili prenosne funkcije in minimalne detektirane signale, ter proučevali njihove dinamične in šumne lastnosti. Ker je /-/pretvornik nelinearen sistem, smo za določitev njegovih dinamičnih lastnosti, izdelali njegov model. V nadaljevanju sledi karakterizacija samostojnega UV detektorja, kjer so opisane njegove električne, optične, dinamične in šumne lastnosti. Zaradi težav pri depoziciji UV detektorja na bralno elektroniko, nismo opravili karakterizacije celotnega UV senzorja, ker le-ta Še ni izdelan. Zato smo v zadnjem delu poglavja opisali merilno metodo, ki se bo uporabila za določitev lastnosti celotnega UV detektorskega sistema, ko bo le-ta izdelan. Določila se bo relacija med UV indeksom in izhodnim signalom posameznega pretvornika, ki bo glede na tip pretvornika tok, napetost ali digitalna vrednost. 3.1 Opis merilnih metod 3.1.1 //pretvornik Slika 3.1 prikazuje shemo priključitve /-/pretvornika za merjenje prenosne karakteristike /(/). V začetni fazi smo vezje napajali z omrežnim usmernikom, ki je bil napajan iz omrežja 230 V / 50 Hz. Vendar so pri usmerniškem napajanju meritve šuma pokazale prisotnost 50 Hz frekvenčne komponente omrežne napetosti. Prisotni so bili tudi njeni višji harmoniki z najizrazitejšimi vrhovi pri 150 Hz, 250 Hz in 350 Hz. Zato smo v nadaljevanju usmemisko napajanje nadomestili z baterijskim. Uporabljena je bila svinčena baterija ES 7-12 proizvajalca ROCKET, ki nam zagotavlja napetost 12 V. Slika 3.1: Merilna shema za določanje lastnosti 1-f pretvornika vsebuje, poleg integriranega vezja, tudi baterijsko napajanje in nastavljive upore, ki določajo vhodni tok pretvornika. 39 3. poglavje Z baterijskim napajanjem smo predvsem zmanjšali prispevek motilnih frekvenčnih komponent omrežja. Poleg tega baterija ne vnaša dodatnega šuma. Vhodni tok smo prav tako realizirali z baterijo in uporovnim delilnikom. Upornost delilnika smo izbrali tako, da nismo imeli prevelikega praznjenja akumulatorja na eni strani in prevelike notranje upornosti napetostnega vira na drugi strani. Uporovni delilnik je bil sestavljen iz fiksnega žičnega upora R = 100 kQ in spremenljivega upora P = 5 kO. („multitum"). Žični upori so bili izbrani zaradi najmanjšega lastnega šuma, ki ga doprinesejo v vezje. Vnašajo predvsem termični šum, katerega gostota močnostnega spektra tokovnega šuma je enaka 5, =4kTG (3.1) in gostota močnostnega spektra napetostnega šuma Sv=4kTR. (3.2) Ker nas predvsem zanima njihov tokovni prispevek, bomo pri nadaljnjih izračunih uporabljali enačbo 3.1. Vendar samo baterijsko napajanje ne zmanjšuje dovolj dobro motenj iz okolice, zato smo celotno merilno vezje zaprli v škatlo iz mumetala. Mumetal, zmes niklja in železa, je zelo dober ščit pred elektromagnetnimi motnjami. Predvsem za odstranjevanje 50 Hz in 60 Hz frekvenčnih komponent omrežja, kjer običajno odpovedo ostali materiali [13]. Prav tako je potrebno povezati škatlo z ozemljitvijo, ker le tedaj dovolj učinkovito zmanjšamo Šum okolice. Fotografija celotnega merilnega vezja z baterijskim napajanjem je prikazana na sliki 3.2. Slika 3.2; Merilni sistem sestavlja baterijsko napajanje, testna ploSčica in osciloskop, ki opravlja zajem podatkov. Za vzorčenje izhodnega pravokotnega signala smo uporabili osciloskopom LeCroy WaveSurfer 422. Zahvaljujoč njegovemu velikemu spominu (1 MB) smo lahko z dovolj veliko točnostjo in natančnostjo zajeli dolgo verigo izhodnih časov. Vrednosti so bile shranjene v datoteko formata „tre" in prenesene na osebni računalnik, kjer so bili podatki 40 Karakterizacija naknadno obdelani. Izračunali smo verigo časov, iz katerih smo nato določili prenosno funkcijo in šum pri različnih vhodnih tokovih. Podroben opis celotnega merilnega postopka sledi v nadaljevanju. > Kalibraeija merilnega sistema Ker smo za merjenje šuma uporabili lasten nepreizkušen merilni sistem, smo ga morali ovrednotili, da bi lahko z določeno gotovostjo trdili o verodostojnosti meritev. Določili smo minimalno potrebno število vzorcev na pozitivno periodo pravokotnega signala, ki naj bi zagotavljalo konstantno natančnost, ne glede na dolžino izhodne pozitivne periode. Za referenco smo uporabili funkcijski generator Agilent 3325A, ki je bila najboljša razpoložljiva referenca. Dolžina pozitivne periode pravokotnega signala je bila nastavljena na 28.85 u,s, kar pri /-/pretvorniku, ustreza toku 15 uA. Pozitivne periode so bile vzorčene pri različnih frekvencah, od 10 MS/s do 1 GS/s. Iz verige izhodnih Časov smo določili frekvenčni spekter signala pri različnih vzorčnih frekvencah. Določitev Časov je podrobneje opisana v nadaljevanju. Meritve so pokazale, da se pri zmanjšanju frekvence vzorčenja iz 100 MS/s na 50 MS/s dvigne frekvenčni spekter. Zaključimo, da je potrebno pri dani dolžini pozitivne periode vzorčiti z najmanj 10 vzorcev na sekundo (100 MS/s). Pri predvideni minimalni frekvenci vzorčenja smo izračunali tudi ,jitter" izhodnega signala funkcijskega generatorja in ga primerjali z vrednostmi podanimi v njegovih specifikacijah. Vrednosti jitter-ja so zbrane v tabeli 3.1. Število časov Jittermeriive Is] Jliicrapectfijiatiie [SJ Dolžina pozitivne periode je ekvivalent toku pretvornika 0.1 pA 10200 1.5810"7 4.88-10"7 0.3 pA 20200 2.1210"7 2.47-10"7 1 uA 27400 3.92-10"8 7.3310s 3 M 9800 8.8 HO'9 2.08-10-8 10 uA 17700 2.21-10* 6.Î7I09 30 uA 25900 7.1610 ä0 2.49 10"9 Tabela 3.1: Primerjava vrednosti pomerjenega jitter-ja in vrednosti podanih v specifikacijah za funkcijski generator Agilent 3325A. Pri 3000 vzorcih na pozitivno periodo je izmerjeni jitter pod mejo, ki ga določajo specifikacije, Iz meritev razberemo, daje vrednost pomerjenega jitter-ja vedno pod mejo iz specifikacij. Zaključimo, daje za meritve šuma potrebno vzorčiti s tako frekvenco vzorčenja, da bo število vzorcev na pozitivno periodo najmanj 3000. 41 3. poglavje > Izračun časov Sedaj ko imamo kalibriran merilni sistem lahko pričnemo s karakterizacijo /-/pretvornika. Neobdelane podatke o izhodnem signalu pretvornika je bilo potrebno spraviti v primerno obliko za nadaljnjo obdelavo. Iz podatkov zapisanih v formatu „tre" („Table Reference Character") smo razbrali potek izhodnega signala, iz katerega smo izračunali čase pozitivnih period T+. 0 Glava 179 180 Podatki - waveform 250179 Slika 3.3: Struktura binarnega zapisa podatkov v tre formatu je sestavljena iz glave, dolžine 180 znakov, in podatkov. Oba časa prehoda iz nizkega v visoki nivo in obratno smo določili pri 50 % maksimalni vrednosti izhodnega pravokotnega signala. Ker so vrednosti diskretizirane, smo z linearizacijo določili časa prehoda skozi 50 % mejo. S tem smo predvsem pridobili na natančnosti in točnosti določitve časa prehoda (slika 3.4). —*- ---------------5 V 100 % 50% 0% 2.65 V 2.35 V 0V Slika 3.4: Časi pozitivne periode T+ so bili določeni z linearizacijo. Pri pozitivni fronti smo poiskali prvo točko nad 2.35 V in prvo točko pod 2.65 V. Skozi ti dve točki se je vrisala navidezna premica, katere presečišče z mejo 50 %, določala čas prehoda iz nizkega v visoki nivo. Na podoben način smo določili čas prehoda iz visokega v nizek nivo. Razlika obeh časov predstavlja informacijo o dolžini pozitivne periode. Omenjeni postopek se je opravi] na verigi potekov izhodnih vrednosti, pri kateremu smo dobili približno 200 vrednosti. Zaradi končnega medpomnilnika osciloskopa LeCroy 422 (1 MB) in zahteve po minimalnem številu vzorcev na periodo, ni bilo možno zajeti večjega števila period. Zato smo prebrane vrednosti shranili na trdi disk osciloskopa in ponovili meritev. > Prenosna karakteristika Prenosno karakteristiko smo določili tako, da smo po korakih spreminjali vhodni tok, od minimalne do maksimalne vrednosti, in merili pozitivne periode izhodnega signala. Pri določenem vhodnem toku je bilo opravljenih 50 ponovitev (meritev). Z več ponovitvami nebi pridobili na točnosti določitve prenosne karakteristike. 42 Karakterizacija > Šumne lastnosti Za določitev šuma pa smo morali opraviti večje število meritev, da bi dobili kar se da dober potek gostote močnostnega spektra tokovnega šuma. Opravili smo 32000 meritev, ki smo jih združili v 32 paketov po 1000 skupkov. S tem smo pridobili nove vzorce, ki so potrebni, če želimo dobiti informacijo o nižjih frekvenčnih komponentah merjenega signala. Kajti pri danemu vhodnemu toku je zgornja frekvenčna meja določena z enačbo 3.3 J vzorčna _ J Strina (3.3) 2 2-(Tt + T_) kjer je T+ čas pozitivne periode in T. Čas reset cikla. Zgornja frekvenčna meja je enaka polovici vzorčne frekvence fvzorcna, ki je določena kot obratna vrednost vsote pozitivne in negativne periode pravokotnega izhodnega signala. Pri čemer je čas negativne periode oz. čas reset cikla konstantno 2.05 us. Spodnja meja frekvenčnega spektra se določi po enačbi _ J Unna ./; spodnja M, (3.4) kjer je AV število časov, na katerem se opravi FFT transformacija. Iz verige časov smo s pomočjo prenosne karakteristike izračunali časovni potek vhodnega toka. Ker enosmerna komponenta toka ne vsebuje informacije o šumu, smo le to odstranili od posameznih izmerjenih vrednosti. Z namenom, da bi dobili zanesljivejši in bolj gladek potek gostote močnostnega spektra tokovnega šuma, smo dobljene spektre 32-ih meritev poprečili z linearno utežjo. Pri meritvah šuma smo bili omejeni s kapaciteto diska osciloskopa. Poleg tega so meritve šuma časovno potratne, ker se povečuje število vzorcev z nizanjem spodnje frekvence šuma. Za 32000 meritev smo potrebovali več kot 12 ur. Po končanih meritvah smo podatke, zapisane v „tre" formatu (15GB podatkov), prenesti iz osciloskopa LeCroy422 na osebni računalnik (PC), kjer smo jih naknadno obdelali po pravkar opisanem postopku. LeCroy 422 PC 1 Mumetai Slika 3.5: Merilni sistem za določitev gostote močnostnega spektra tokovnega Suma 43 3. poglavje 3.1.2 I-U pretvornik 1-U pretvornik ima diferencialni vhod, zato smo uporabili dodaten nizkošumen ojačevalnik z diferencialnim izhodoms katerega vhod je vezan proti masi. Na ta način smo lahko realizirali tokovni generator z diferencialnim izhodom ter določili prenosno funkcijo in frekvenčno karakteristiko, ne da bi potrebovali tokovni vir z diferencialnim oz. plavajočim izhodom. Uporabljen je bil ojačevalnik AD8138, ki ga odlikuje nizek lasten šum. Zato z njegovo uporabo zanemarljivo vplivamo na natančnost in točnost meritev. R ¦C Tokovni generator * u izh ¦ U i/li Slika 3.6: Shematični prikaz priključitve nizkoSumnega ojačevalnika AD8138 na II pretvornik za določitev prenosne funkcije. > Prenosna karakteristika I-U pretvornika Prenosno karakteristiko smo določili tako, da smo po korakih spreminjali vhodni tok pretvornika in merili izhodno napetost v točkah C in D. Vhodni tok je določen z u^ in uporoma R\ (ivf, = Udifl2R\). > Frekvenčna karakteristika I-U pretvornika Frekvenčno karakteristiko H(co) smo določili z analizatorjem vezij SR780. Shema meritve frekvenčnih lastnosti je enaka kot pri merjenju prenosne karakteristike, le z eno razliko, da smo enosmerno vzbujanje Uj nadomestili s sinusnim signalom, ki ga generira analizator vezij SR780. Vhodni točki meritve sta A in B, Plavajoči izhod je bil pomerjen v točkah C in D (slika 3.6). Analizator vezij spreminja frekvenco sinusnega signala, katerega amplituda je konstantna za vse frekvence, od minimalne do maksimalne nastavljene vrednosti. Pri dani frekvenci analizator pomeri izhodni signal in ga po amplitudi primerja s konstantno vrednostjo vhodnega signala. 44 Karakterizacija SR7S0 D /~\ ODD ot^J ? ? ? D ODD d a ? a d n d a a do a G D Ö D D D Slika 3.7: Merilni sistem za določitev gostote močnostnega spektra tokovnega in napetostnega Suma > Šumne lastnosti I-U pretvornika Vhodni šum pretvornika je sestavljen iz dveh prispevkov, to sta ekvivalentni tokovni šum i„ in ekvivalentni napetostni šum u„ (slika 3.8). Ekvivalentni tokovni šum je bil izmerjen pri odprtih sponkah, ker tedaj ne vključujemo napetostnega prispevka u„. Izhodna gostota močnostnega spektra tokovnega šuma Siou, (odprte sponke na vhodu pretvornika) je bila pomerjena s spektralnim analizatorjem SR780 in nato preko predhodno pomerjene frekvenčne karakteristike \H(m)f preračunana na vhodno stran pretvornika v vhodno gostoto močnostnega spektra tokovnega šuma Sj ,-„ z enačbo &..= m*t (3.5) Slika 3.8; Ekvivalentni šum na vhodu pretvornika sestavljata dva prispevka: tokovni i„ in napetostn «„.. Pogoj za določitev napetostnega šuma pretvornika je priključitev nizke upornosti na vhod pretvornika. Ker ima ojačevalnik diferencialni vhod, smo za določitev napetostnega šuma oba vhoda pretvornika povezali z dvema enakima uporoma Äj=10kQ na analogno maso (slika 3.9). Tedaj imamo na izhodu pretvornika prispevek napetostnega, tokovnega in termičnega šuma. 45 3. poglavje *--------• U i /Il *"izh" Slika 3.9: Merilna shema za določitev ekvivalentnega napetostnega Sumnega vira Pomerjeno izhodno gostoto močnostnega spektra napetostnega šuma &«/?«,/ (analizator SR780) smo preko frekvenčne karakteristike H(co) prenesti na vhodno stran pretvornika v gostota močnostnega spektra ekvivalentnega tokovnega šuma Siur ,-„ (enačba 3.6) 'iuRin (3.6) Preračunana gostota močnostnega spektra ekvivalentnega tokovnega šuma S&g ,„ je sestavljena iz treh prispevkov: gostote močnostnega spektra tokovnega Šuma S, in (že prej določenega), gostote močnostnega spektra termičnega šuma Sjr (prispevek obeh uporov R\) in gostote močnostnega spektra napetostnega šuma Suin. Enačba 3.7 opisuje relacije med šumnimi prispevki na vhodni strani pretvornika ^mRin ~ \Aiih +^iR/' 2-R, R.,+2-R + S., 1 Äk.+2-A = Si,n +S,n + /__"'"y > (3-7) iz katere lahko izrazimo gostoto močnostnega spektra napetostnega šuma Su in. Zaradi nizke vrednosti notranje upornosti, glede na eksterno upornost Rj, smo pri izračunu zanemarili Rin. Gostoto močnostnega spektra napetostnega šuma smo tako določili po enačbi 3.8 *» in ~ (SmR m ~ ®i in ~ "jR ) " W ' A) ' kjer je gostota močnostnega spektra termičnega šuma določena z enačbo (3.9) A-k-T S„=- -•in 2-R (3.8) (3-9) Predvidevamo, da je vsa koristna informacija UV detektorja zajeta v frekvencah do fzg načrtovahka = 1 kHz, zato smo določili ekvivalentni tokovni šum vseh šumnih prispevkov 46 Karakter izacij a pretvornika v frekvenčnem področju od 0.1 Hz do 1 kHz. Gostoto močnostnega spektra ekvivalentnega tokovnega šuma, ki jo sestavljajo gostota močnostnega spektra tokovnega, napetostnega in tenničnega šuma, smo omejili s filtrom prvega reda in frekvenco pola pri 1 kHz. Frekvenčno karakteristiko filtra zapisano z enačbo 3.10 ff (/»)*¦ 1 1 + ./ (O \Eijm\- 1 O) -IdB 1 + t \. J-3dB j kjer je/3đ» frekvenca pola in hkrati^^wavfl/jfal. (3.10) Slika 3.10: Merilni sistem je poleg analizatorja vezij vseboval tudi baterijsko napajanje ter Škatli iz aluminija in mu metala. 47 3. pogla\>je 3.13 A-D pretvornik Signal UV senzorja smo simulirali s preciznim integracijskim tokovnim virom Kiethley 238 high current source measurement unit, ki ima diferencialni izhod. Digitalni izhodni signal A-D pretvornika, ki je določen z razmerjem med ponavljanjem enic in ničel na izhodu, je bil vzorčen v diferencialnem načinu ob pozitivni fronti z DAQ kartico („Data acquisition card") AT-MIO-16E-10, pri njeni maksimalni frekvenci vzorčenja 100 kHz, kar zadostuje za našo fzgnačnovaiska = 1 kHz., Z njo smo tudi generirali pravokotne urine signale, ki so potrebni za delovanje A-D pretvornika. V osnovi je dovolj, če vzorčimo le en izhodni signal. Z DAQ kartico generirani urin signal je imel dolžino pozitivne periode 50 ns, kar je bilo dovolj za pravilno delovanje pretvornika. A-D pretvornik nima decimatorja, zato je bil le-ta naknadno realiziran v programskem paketu LabVievv. Osnovna naloga decimatorja je zmanjšanje kvantizacijskega Šuma na izhodu pretvornika, ki ima običajno večji naklon kot 15 dB/dec. Zato mora biti naklon nizkopasovnega filtra, ki opravlja funkcijo decimatorja, vsaj enak naklonu kvantizacijskega šuma, da bo ravna gostota močnostnega spektra tokovnega šuma. Decimator smo realizirali z nizkopasovnim Butterworth-ovim filtrom drugega reda s polom pri 600 Hz. > Prenosna funkcija A-D pretvornika Za določitev prenosne karakteristike smo pretvornik vzbujali s stabilnim diferencialnim tokovnim virom Kiethley 238. Vrednost vhodnega toka pretvornika je bila v intervalu med 1 nA in 600 uA in za Čas meritve konstantna. Ob vklopu urinega signala se za kratek čas (do 300 ms) pojavi prenihaj izhodnega signala, zato so bile zavržene vrednosti do Časa 500 ms. Iz vrednosti izhodnega signala pridobljenega v nadaljnjih 5 sekundah se je izračunala njegova povprečna vrednost. Pri določeni vrednosti vhodnega toka, je bito opravljenih 50 meritev, iz katerih se je, za dani vhodni tok, izračunala povprečna vrednost izhodnega signala. Digitalni izhod Slika 3.11: Shema meritve prenosne karakteristike A-D pretvornika. !Na izhodu pretvornika je bit naknadno dodan nizkopasovni filter v vlogi decimatorja. > Šumne lastnosti A-D pretvornika Šum A-D pretvornika je bil določen pri odprtih sponkah na vhodu. Iz verige izhodnih časov smo izračunali gostoto močnostnega spektra tokovnega šuma, pri čemer smo izpustili posamezne višje frekvenčne komponente, ker je bilo njihovo celotno število preveliko za A-D pretvornik 48 Karakter izacij a nadaljnjo obdelavo. Do frekvence 1 kHz je bil spekter zapisan po koraku 0.5 Hz, nad to frekvenco, pa s korakom 25 Hz. Gostota močnostnega spektra tokovnega šuma je bila izračunana za izhodni signal pred decimatorjem in za različnimi decimatorji. Iskali smo optimalni decimator, zato smo spreminjali red filtra (2, 3 in 4) in mejno frekvenco (600 Hz, 700 Hz in 800 Hz). Pri večini A-D pretvornikov je decimator del integriranega vezja, ker so tedaj najkrajše povezave med sklopi pretvornika. V tem primeru, se izhodni signal v manjši meri zaključuje na vhod pretvornika, kar pomeni, daje manjši vpliv visokofrekvenčnega izhodnega signala na vhodni signal. 49 3. poglavje 3.2 Rezultati karaktcrizacije pretvornikov 3.2.1 /^/"pretvornik 3.2.1.1 Določitev optimalne referenčne napetosti Kot smo že omenili v enim od prejšnjih poglavij se kondenzator po opravljeni integraciji ali na začetku delovanja, v t. i. reset ciklu (T+ = 2.05 (is) napolni na napajalno napetost. Nato kondenzator praznimo z vhodnim tokom do referenčne napetosti Urefi, ki je eksterno nastavljiva. Čas integracije je torej odvisen od vrednosti referenčne napetosti. Nižja ko je referenčna napetost Urej2, daljši je integracijski čas in s tem posledično večja točnost pretvorbe vhodnega signala. Najnižjo referenčno napetost smo določili pri konstantnem vhodnem toku pretvornika 15 uA. Pri čemer smo referenčno napetost spreminjali s konstantnimi koraki na intervalu med IV in 4 V. Slika 3.12 prikazuje odvisnost dolžine izhodnega časa T+ od referenčne napetosti. Kjer je le za napetosti med 1.5 V in 3.5 V razvidna linearna odvisnost. Ker želimo imeti največjo možno točnost pretvorbe vhodnega toka, smo za referenčno napetost izbrali najnižjo napetost linearnega dela 1.5 V. 40 35 30 & 25 H 'O 15 10 —1------1------1------1— (j i—i—i—i—i— 1—1—1—1—1— 1-----1-----1-----1-----1-----F-----1-----'-----'-----1----- 1—1—1—1—1— : ; : ^, ; \ ; "1 k\0 i) "Ni ; ___1—1—1—1—1 —i—.—1—i—1 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Referenčna napetost [V] 3.5 4.0 Slika 3.12: Odvisnost izhodnega časa T+ glede na nastavljeno referenčno napetost pri konstantnem tokovnem vzbujanju 15 jiA. Odstopanje od linearnega poteka se pojavi pri referenčni napetosti pod 1 V in nad 4 V. Pri konstantnem tokovnem praznjenju (iph(t) =I=- konst.) kondenzatorja lahko zapišemo enačbo za spreminjanje napetosti na kondenzatorju v odvisnosti od vhodnega toka in časa (enačba 3.11) 50 Karakterizacija zm=ü^-ipm*dt. (3.11) iz katere izrazimo kapacitivnost kondenzatorja C C =-------1— h .dt= /--^~/'), (3.12) CU-*®* L*-*.» Če upoštevamo, daje T+ = Î2- tu dobimo končno enačbo za izračun kapacitivnosti / -T C= ' +—. (3.13) Ko napetost kondenzatorja doseže vrednost referenčne napetosti uc(t) = Urep = 1.5 V se konča integriranje vhodnega toka in spremeni stanje izhoda. Takrat dobimo za kapacitivnost kondenzatorja C=125pF, ki je konstantna za celoten linearen interval. Za vrednosti Urefi < 1.5 V je kapacitivnost večja oz. za vrednosti Urep > 1.5 V manjša od 125 pF. Vrednost kapacitivnosti bomo uporabili pri modeliranju I-f pretvornika. Predvidena vrednost kondenzatorja C je bila lOOpF. 51 _________________________________________3. poglavje_________________________________________ 3.2.1.2 Prenosna karakteristika /-/pretvornika Prenosna karakteristika določa razmerje med vhodom in izhodom pretvornika. Pri /-/' pretvorniku določa povezavo med vhodnim tokom in inverzno vrednostjo pozitivne periode izhodnega signala T+. Izmerjena je bila v tokovnem področju med 9.7 nA in 60 uA. Vrednosti časov pozitivne periode 7V se gibljejo med 42.3 ms (9.7 nA) in 8.14 (is (60 uA). Izmerjena prenosna karakteristika, prikazana na sliki 3.13, je bila nato linearizirana. Kar pomeni, da so bile izmerjene točke predstavljene s premico, ki se najbolje ujema z izmerjenimi vrednostmi. Lüiearizacijo prenosne funkcije smo opravili s programom Sigma Plot, ki je na podlagi podanih točk izbral najboljšo regresijsko premico. V zgornjem levem kotu slike je povečan spodnji del prenosne karakteristike, iz katere je lepo vidno odstopanje izmerjene prenosne karakteristike od linearnega poteka. Prenosna karakteristika je konkavna in je po celotnem merjenem območju ukrivljena. 10 20 30 40 Vhodni tok [uA] 50 60 Slika 3.13: Prenosna karakteristika je bila pomerjena v področju med 9.7 nA in 60 u.a. V celotnem tokovnem področju je razvidna ukrivljenost prenosne karakteristike, ki je izrazitejSa pri manjših vhodnih tokovih pretvornika. Linearizirano prenosno karakteristiko /-/pretvornika zapišemo s sledečo enačbo ./, IT, - 2.0452-109 F Hz ¦/[a]+605.56[Hz], (3.14) kjer je fvr inverzna vrednost pozitivne periode pravokotnega signala 1/T+, Razlika med lineariziranim in izmerjenim potekom prenosne karakteristike predstavlja napako oz. nelinearnost karakteristike, ki smo jo relativno ovrednotili, kot absolutna razlika med 52 Karakterizaçija izmerjeno in linearizirano karakteristiko, glede na pripadajočo izmerjeno vrednost. Določena je z enačbo 3.15 in podana v procentih j[%] = abs fi/T^ JUT4 m "J +"» J ur 100% = abs T -T +tirt +tzm 100% (3.15) 1000 t iS 100 ts C = i 9 10 J E S a 1 q :/) -O < 0.1 0.01 —-----------1 v i i i i M I i i i i i i i i | i i P i P i i i | i i i i i i i i. \ j Ö^Uj-jKl r 1 J 3 —_____1____t__d__1_¦ ¦ i i I_______L____I___1__I__i i L i I_______I____I___t__I__' ' ' ' L______1___it__J__I_'''' 0.0] 0.1 100 Vhodni tok [uA] Slika 3.14: Nelinearnost prenosne karakteristike /-/pretvornika je podana v log-log merilu. Pri majhnih vhodnih tokovih je opazno veliko odstopanje izmerjene od linearizirane karakteristike. Slika 3.14 prikazuje nelinearnost prenosne karakteristike, iz katere razberemo, daje le-ta, pri manjših vhodnih tokovih, znatno večja kot pri večjih. Bistvenega pomena je, kako lineariziramo prenosno funkcijo oz. katerim točkam prenosne karakteristike pripišemo večjo utež. V našem primeru so točkam višje iz prenosne karakteristike dodeljene večje uteži. Zato se vrh prenosne karakteristike bolje ujema z linearizirano prenosno karakteristiko. Ob drugačni izbiri uteži bi dobili drugačno linearizirano prenosno karakteristiko in s tem posledično pripadajočo nelinearnost, ki bi imela vrh nekje drugje. Če pripišemo točkam nižje iz prenosne karakteristike večje uteži, bi imeli boljše ujemanje v spodnjem delu prenosne karakteristike, na račun slabšega ujemanja z vrhom prenosne karakteristike. Če za maksimalno odstopanje od linearnega poteka določimo mejo 4 %, je prenosna karakteristika pod to mejo, pri tokovih med 2 uA in 60 uA. ¦ - 1.5 V. Ob Izmerjena prenosna karakteristika in njen lineariziran potek velja le pri Ureß drugačni referenčni napetosti, bi imela prenosna karakteristika podoben potek, vendar drugačne vrednosti izhodnega signala. 53 3. poglavje 3.2.13 Dinamične lastnosti //pretvornika Če želimo določiti gostoto močnostnega spektra tokovnega šuma, je potrebno poznati njegovo frekvenčno karakteristiko. Ker je obravnavani pretvornik nelinearen sistem, je nemogoče izmeriti njegovo frekvenčno karakteristiko. Zato smo njegove dinamične lastnosti preučevali s pomočjo modela /-/pretvornika, opisanega z enačbo 3.16 Unap-UKf =];)(! __-lap!psm{G>t))dt, (3.16) pri Čemer je U„ap napajalna napetost pretvornika (v našem primeru 5 V), Uref referenčna napetost, 7= enosmerna komponenta vhodnega signala, Iamp amplituda sinusnega signal, (o krožna frekvenca vhodnega sinusnega signala, fj začetni in t% končni Čas integracije. Z reševanjem enačbe 3.16 lahko zapišemo iteracijsko enačbo za izračun časa /2 + c{unap -^J.^a,^ )_cos( ^ (317) S spreminjanjem Urefi, Iamp in a> smo prišli do naslednje ugotovitve (enačba 3.18), daje mejna frekvenca linearno proporcionalna amplitudi vhodnega toka ter inverzno povezana z razliko med napajalno in referenčno napetostjo pretvornika /ubk------—-----• (3-18) J~idB U -U , imp rej Rezultat je logičen in pričakovan. Pri določenem vhodnem toku, večja kot je dolžina izhodnega impulza slabša bo sledljivost izhodnega signala vhodnemu. Podobno velja, da večja kot je amplituda vhodnega signala, hitreje se pri danem toku prazni kondenzator, zato so možne hitrejše spremembe vhodnega toka. V poglavju 3.2.1.1 smo govorili o izbiri referenčne napetosti in prišli do zaključka, daje zaželeno imeti čim nižjo referenčno napetost, ker je tedaj najdaljši čas integracije [141- Iz enačbe 3.18 pa pridemo do popolnoma nasprotnega zaključka. Za dobre dinamične lastnosti je potrebno imeti čim krajši čas integracije 7V, ker je tedaj boljša sledljivost izhodnega signala vhodnemu toku. Zaključimo, da se medsebojno izključujejo natančnost pretvorbe vhodnega toka v izhodni signal in dobre dinamične lastnosti pri visokih frekvencah. 3.2.1.4 Su m ne lastnosti /-/pretvornika Vhodno tokovno vzbujanje je bilo realizirano z baterijo in uporovnim delilnikom. Upori in termistorji vnašajo v vezje termični šum, ki se prenaša na izhod pretvornika. Zato je potrebno odšteti prispevek termičnega šuma žičnih uporov od izmerjene gostote močnostnega spektra 54 Karakterizactja tokovnega šuma pretvornika. Gostota močnostnega spektra termičnega šuma uporov se izračuna po enačbi (3.19) St=4KTG. (3.19) Nadomestna prevodnost G upora R in potenciometra P (slika 3.1) znaša 9.52 mS. Kar da maksimalno gostote močnostnega spektra termičnega šuma 4-10"13 A/VHz . Njena vrednost je v primerjavi z gostoto močnostnega spektra tokovnega Šuma pretvornika, zanemarljiva za vhodne toke nad 0.1 uA. Iz slike 3.15, ki prikazuje frekvenčne komponente šuma, razberemo, da je šum pretvornika v groben sestavljen iz dveh komponent, Pri višjih frekvencah je predvsem opazen beli šum in pri nižjih frekvencah i/f Šum, ki je značilen za CMOS tehnologijo. Šum l/fse zapiše v obliki Ç - —L- (3.20) kjer konstanta B določa naklon (strmino) gostote močnostnega spektra in Ä/ velikost frekvenčne komponente šuma pri 0 Hz. Vrednosti konstante B se gibljejo v območju med 0 in 2. Če je y = 0 potem govorimo o spektru belega šuma. Brown-ov šum imamo, ko je y = 2. Če govorimo o moči 1//'šuma je vrednost y = 1, oziroma 0.5, če je gostota močnostnega spektra zapisana v korenski obliki. 10J I N L 10-10 I tn « IO-11 su 1U i o io-1 io- rnj--------........| 60 pA —15 ^A -io hA 3 \iA 15nA Maksimalni termični šumVŠT L ¦ ',,rJ ' ......¦' io-1 10° io1 102 Frekvenca [Hz] 103 IO4 Slika 3.15: Spektralna porazdelitev tokovne šumne gostote, ki je bila pomerjena pri vhodnih tokovih med 15 nA in 60 pA. X naraščanjem vhodnega toka naraščajo tudi frekvenčne komponente. 55 3. poglavje Pri tokovnem vzbujanju 15 nA zapišemo komponento belega Šuma z enačbo 3.21 Šum v periodičnih signalnih izvorih lahko opisujemo v časovnem ali frekvenčnem prostoru. Če obravnavamo šum izvora v časovnem prostoru govorimo o jitter-ju oziroma pri obravnavi v frekvenčnem prostoru o faznem Šumu („Phase noise"). Jitter in fazni Šum torej opisujeta isti pojav v različnih prostorih. Poznano je, da je jitter spreminjanje Časa prehoda pravokotnega signala skozi ničelno vrednost oziroma nihanje periode signala. Hkrati se poraja vprašanje, na kaj definirati spreminjanje signala [15][16], Poznanih je kar nekaj različnih definicij, med katerimi so najbolj poznane in uporabne predvsem sledeče: cycle, cycle-to-cycle, period, accumulated, absolute, long term. Za vsakega od njih se lahko definira rms, 3-sigma, vršna ali vršna-vršna vrednost [14]. Ko govorimo o Številčni vrednosti jitter-ja, je najbolj uporabna definicija cycle-to-cycle jitter. Nekateri ga imenuje cycle jitter, spet drugi enostavno rms jitter. Kakorkoli, jitter zapisan z enačbo 3.22 govori o nihanje pravokotnega izhodnega signala okoli povprečne periode kjer je rOTS srednja vrednost periode, r„ dolžina periode v ciklu n in Ar celotno število meritev period. Na ta način definiran jitter je direktno povezan s faznim šumom, ki predstavlja šum jitter v frekvenčnem prostoru. Če ima fazni Šum Lorenz-ovo porazdelitevfß), se jitter izračuna na podlagi Parseval-ovega teorema, kjer integriramo frekvenčne komponente po celotnem frekvenčnem območju a2c = jWdf- (3.23) D Z integracijo frekvenčnih komponent tokovnega šuma dobimo ekvivalentni tokovni šum, ki predstavlja ekvivalentno enosmerno komponento celotnim šumnim komponentam. Iz slike 3.16 je razvidno, da ekvivalentni šumni tok raste z večanjem vhodnega toka. Vprašamo se zakaj? Odgovor tiči v prenosni funkciji oz. v relaciji med vhodnimi in izhodnimi veličinami pretvornika. 56 Karakterizac tja IO'1 E < 3s 10-: L 9 ¦KTt 1 IO'3 Ir o g I io-4 o > io-5 -LI 33 io-6 -f--------1—r—r i r-f r t---------*t-------1—i—i r i i r { —i—<—i—r r f t |---------------r--------1—t—r i i it. _l______________I__________I_______- L I ¦ I I________________________|_____________I__________|_______¦ ¦ 1 J > 1 ------------._________|_____________|--------------1_______I I 1 ' I J________________________|_____________|__________|_______¦ 1 J > I 0.01 0.1 I Vhodni tok [uA] 10 100 Slika 3.16: Porazdelitev efektivnega vhodnega tokovnega Suma v odvisnosti od vhodnega toka. Z naraščanjem vhodnega toka raste tudi efektivni šumni tok. Pravilno razlago o nihanju in nestabilnosti izhodnega signala dobimo, če izrišemo odvisnost 3a jitter-ja od vhodnega toka (slika 3.17). Razvidno je upadanje 3ajitter-ja z naraščanjem vhodnega toka, kar se da tudi fizikalno razložiti. 101 - 10° r ta i 1 io-1 ftp i/5 m 302 IO" ¦ N. '1 ; \ ; 1 -----¦ .-!.•¦* liJ ^-*-j 0.0! 10 100 Vhodni tok [uA] Slika 3.17: Odvisnost 3-sigma jitter-ja od vhodnega toka merjenega le v nekaterih točkah. Dogajanje v pretvorniku bomo razložili s slikama 3.18 in 3.19. Referenčna napetost (Črtkana krivulja) zaradi različnih motenj, ki izvirajo iz okolice ali samega pretvornika, rahlo 57 3. poglavje niha za A\Jrep okoli referenčne napetosti Uref2. Enako se dogaja z napetostjo na kondenzatorju, ki prav tako niha za AU!vh. m, refl &uM Stika 3.18: Primerjava med referenčno napetostjo in napetostjo na kondenzatorju se izvaja na vhodni strani pretvornika pri vhodnem toku A (/]). Vidimo, daje področje preklopa pretvornika dokaj Široko. Predvsem je odvisno od variance referenčne napetosti, napetosti na kondenzatorju in vhodnega toka, ki določa negativni naklon Um. Pri enaki vrednosti varianc in ob večjem vhodnem toku (Jfj > //), je področje preklopa manjše in s tem krajši čas integracije AT (primerjava slik 3.18 in 3.19). K*-.-W.....-----— At/, V Slika 3.19: Prikaz dogajanja na vhodni strani, kjer se izvaja primerjava med referenčno napetostjo in napetostjo na kondenzatorju, pri vhodnem toku l2 (li) Pri večjem vhodnem toku je senčeno presečišče manjše, zato je manjše nihanje izhodnega časa. Zato imamo pri večjem vhodnem toku manjši 3-sigma jitter, kar je razvidno iz slike 3.19. Ker pa prenosna funkcija povezuje vhodni tok in inverzno vrednost pozitivne periode (1/7V), se razumljivo ekvivalentni vhodni tokovni šum povečuje z naraščanjem vhodnega toka. 58 Karakterizacija Do vhodnega toka 20 uA je 3-sigma jitter močno odvisen od vhodnega toka, ker krivulja na sliki 3.19 strmo upada. Za vrednosti nad 20 uA. pa se krivulja zravna, kar vodi do zaključka, da je pri teh vhodnih tokovih, jitter predvsem odvisen od varianc referenčne napetosti in napetosti na kondenzatorju ter manj od amplitude vhodnega toka. Iz izmerjenih izhodnih Časov T+ smo izrisali histogram, ki smo ga normirali na njihovo srednjo vrednost (slika 3.20). Vidimo, da zadetki izkazujejo normalno porazdelitev okoli njihove srednje vrednosti. Odstopanja oz. povečano število zadetkov pri določeni vrednosti časov je posledica delitve časovnih intervalov. Večje število zadetkov v enem časovnem intervalu je kompenzirano z manjšem številom zadetkov v sosednjem intervalu. Če v histogram vrišemo Gaussovo krivuljo oblike y = y0+aS~0i{^[ (3.24) Opazimo dobro ujemanje pomerjenih zadetkov z normalno porazdelitvijo. Enačba (3.25) opisuje krivuljo Gauss-ove porazdelitve za izmerjeni histogram ^ = 0.3 + 222354.7919^ Uw0M2j J, (3.25) oziroma, če zapišemo po razdelitveno funkcijo histograma, dobimo sledečo enačbo P(x) = —j=e S1 , (3.26) ^150 — I o 100 j « 50 1 I | I i------¦------1------1 i------¦------r------t-----t------1------1------1------1------1------1 - r------1------1------1------1------1- : o o o 0.9996 0.9998 1.0000 1.0002 Normiran tok .0004 Slika 3.20: Pri vhodnem toku 15 u.A je histogram porazdelitev normiranih izhodnih časov normiran na njihovo srednjo vrednost Zadetki izkazujejo Gauss-ovo porazdelitev. 60 Karakterizacija 3.2.2 I-U pretvornik 3.2.2.1 Prenosna karakteristika /-{/pretvornika Prenosna karakteristika I-U pretvornika (transimpedancni ojačevalnik) določa razmerje med vhodnim tokom Ivf, in izhodno napetostjo l&ft (3.27) Pomerjenaje bila v območju med 0.5 uA in 46.6 uA. Pri čemer je minimalen detektiran signal pretvornika 0.5 uA, pod to vrednostjo pa prevladuje šum. Maksimalna vrednost vhodnega signala pretvornika znaša 46.6 uA in je pogojena z napetostjo nasičenja, ki ustreza napajalni napetosti pretvornika. Napajalna napetost pretvornika je bila Ulutp = 5 V. > 4 •r, C fi 1 S"3 -C 1 ¦ 10 20 30 Vhodni tok [uA] 40 50 Slika 3.21: Prenosna karakteristika /-/¦ pretvornika je bila pomerjena v območju med 0.5 ji A in 46.6 jiA, ki sta minimalna in maksimalna vrednosti vhodnega toka. Izmerjene točke prenosne karakteristike smo predstavili s premico, ki se najbolje prilega njenemu izmerjenemu poteku. Lineari zi ran potek prenosne funkcije je bil določen s programom Sigma Plot, ki je na podlagi podanih izmerjenih točk, določil optimalno regresijsko premico, ki se najbolj prilega danim točkam. Njen potek je podan z enačbo (3.28) cUv]= 1,07-10s V A /vJa]+o.oo4[v]. Razlika med Hnearizirano in izmerjeno prenosno karakteristiko predstavlja nelinearnost prenosne karakteristike, ki smo jo ovrednotiti kot absolutno razliko med izmerjeno in 61 3. poglavje Iinearizirano karakteristiko, glede na pripadajočo izmerjeno karakteristiko. Nelinearnost prenosne karakteristike določa enačba rj[%]=abs Üu. 100% (3.29) 10 c i 0. 0.01 ¦ - r---------------------------p— r — i—p—p pvi 1 "1 I ¦ 0 ¦ 5 J 1 1 , . J 1 ¦ * *..... lCT 0.1 10 100 Vhodni tok [uA] Slika 3.22: Nelinearnost prenosne karakteristike IV pretvornika je v večjem delu vhodnega območja pod 1 %. Le za toke nad 34 pA nelinearnost strmo naraste, ker se izhodna napetost približuje napetosti nasičenja. Izračunana nelinearnost prenosne karakteristike je skoraj v celem območju pod 1 %. Le pri vhodnem toku nad 34 uA nelinearnost strmo naraste, ker se izhodna napetost približuje napetosti nasičenja, kije za 0.1 V pod napajalno napetostjo oziroma 4.9 V (slika 3,22). 3.2.2.2 Dinamične lastnosti I-IJ pretvornika Amplitudni in fazni potek frekvenčne karakteristike I-U pretvornika, smo pomerili, z analizatorjem vezij SR780, v frekvenčnem območju med 10"3 Hz in 105 Hz. Pretvornik smo vzbujali z sinusnim signalom amplitude Iv/, = 5 uA in dobili sledeče poteke amplitudne in fazne frekvenčne karakteristike (3.23 in 3.24). Iz njihovih potekov se razbere, da ima pretvornik, v izmerjenem frekvenčnem področju, samo en pol, ker fazni potek frekvenčne karakteristike konvergira k -90° [17]. Frekvenca pola je bila interno nastavljena z RC Členom na 16 kHz. Izmerjena vrednost znaša 13.5 kHz, kar je za 1.5 kHz nižje od predvidene. Nad frekvenco pola amplituda linearno upada z naklonom 20 dB/dekado, kar je značilno za 62 Karakterizacija frekvenčne karakteristike z enim polom. Amplitudni del frekvenčne karakteristike zapišemo z enačbo 3.30 Wh 1.07-Î05 1 + 7 / 13.5 kHz (3.30) 120000 i00000 80000 1 60000 -o 6 o. 1 40000 c 20000 - 0 ¦ - —>s ...... ; - \ ¦ \ - io-3 io-2 io-' 10° io1 io2 io3 io4 105 Frekvenca [Hz] Slika 3.23: Amplitudni potek frekvenčne karakteristike ¦ ¦ 0 ¦ . - r - -20 ¦ ¦ - ¦ -| i---------1 - ^r-40 ' ' - \ ta -60 - » \ \ -80 \ ¦ ¦ , .inn io-3 io-2 IO"1 10° IO1 IO2 IO3 W 105 Frekvenca [Hz] Slika 3.24: Fazni potek frekvenčne karakteristike 63 i. poglavje Določili smo tudi harmonsko popačenje THD („Total harmonic distortion") izhodnega signala pri različnih vrednostih vhodnega sinusnega toka. Harmonsko popačenje se določi z enačbo 3.31 4HI + Hl+Hl+-~ + Hl 100%, (3.31) kjer je H} osnovna harmonska in Ht i-2,3...višji harmoniki izhodnega signala. Rezultati meritev so podani v tabeli 3.2. Tok IMI @ 1 kHz THD [%] 4.00 0.0045 30 0.0081 46.66 0.0107 Tabela 3.2: Harmonsko popačenje je bilo pomerjeno pri frekvenci vhodnega toka 1 kHz. 3.2.23 Šumne lastnosti I-U pretvornika Za linearne sisteme definiramo ekvivalentni šumni model na vhodni strani pretvornika. Kerje tudi 1-U pretvornik linearen sistem smo zanj definirali ekvivalentni šumni model v obliki, ki jo prikazuje slika 3.25. Ekvivalentni šumni model pretvornika sestavljata ekvivalentni tokovni šumni vir i„ in ekvivalentni napetostni šumni vir u„. UIN Slika 3.25: Ekvivalentni šumni model pretvornika sestavljata ekvivalentni tokovni šumni vir in ekvivalentni napetostni šumni vir. Parametre ekvivalentnega tokovnega šumnega vira smo določili pri odprtih sponkah pretvornika. Gostota močnostnega spektra tokovnega šuma, katere potek je prikazan na sliki 3.26, je sestavljena iz več komponent. Suma oblike \lf, ki je izrazitejši pri frekvencah pod 5 kHz, s konstanto y = 0.98742 in belega šuma. 64 Karakterizac ija Zaradi majhnega odstopanja konstante y od vrednosti 1 lahko govorimo o 1//obliki gostote močnostnega spektra tokovnega šuma. Njegov potek zapišemo z enačbo 3.32 _Af _ 3.901731 -10 -22 [a2 /Hz]. (3.32) Druga komponenta je beli šum s konstantno vrednost 0.74-10' A/VHz . Tako zapisani sešteti komponenti se dobro ujemata s potekom do frekvence 104 Hz, nato pa pride do odstopanja (slika 3.26). 10 |------I—t I I IMI|--------lili UMI--------1—TTTTTTTJ-------T—¦ ¦ I MM|--------1—* ......\--------1----.......|--------1----1 ......|--------1—I I I Mil Odprte sponke na vhodu pretvornika io-3 IO"2 10° 10' \02 Frekvenca [Hz] Slika 3.26: Pri nizkih frekvencah gostota močnostnega spektra tokovnega šuma izkazuje l^~obIiko. Za popolno določitev našega ekvivalentnega šumnega modela, je potrebno poznati tudi ekvivalentni napetostni šumni vir. Določili smo ga tako, da smo na izhodu pretvornika, ob priključitvi upora R— 10kß na vhodu, izmerili gostoto močnostnega spektra napetostnega Šuma Suaut ter jo, s pomočjo frekvenčne karakteristike \H((o)\2, preračunali v gostoto močnostnega spektra ekvivalentnega tokovnega šuma Sjur in na vhodno stran pretvornika \H{u)) (3.33) 65 3. poglavje IO2 IO3 Frekvenca [Hz] Slika 3.27: Celotni Sum na vhodni strani pretvornika sestavljajo termični šum upornosti na vhodu, ekvivalentni tokovni Sum in ekvivalentni tok napetostnega šumnoga vira, ki je odvisen od upornosti na vhodu, sama napetost pa je neodvisna od upornosti. Na vhodni strani pretvornika je celotni šum (slika 3.27) sestavljen iz termičnega šuma upornosti R; = 10 kfi na vhodu, ekvivalentnega napetostnega šumnega vira in ekvivalentnega toka ekvivalentnega napetostnega šumnega vira, ki je razlika med celotnim šumom in ostalima dvema šumnima prispevkoma. Gostoto močnostnega spektra napetostnega šuma določimo z enačbo 3.34 Kjer sta konstanti komponente l//~šuma JAf = in y - 0.917674. (3.34) 66 Karakterizacija Frekvenca [Hz] Slika 3.28: Gostota močnostnega spektra napetostnega Šuma, ki je bila pomerjena z uporoma na vhodu pretvornika, prav tako izkazuje pričakovano ilf obliko Suma. Bralna elektronika oz. v tem primeru I-U pretvornik bo del večjega sistema za zaznavanje UV svetlobe, kjer bo UV detektor (dioda/?/«) priključen na vhod I-U pretvornika. Predvidevamo, da bo koristna informacija o UV svetlobi dovolj dobro zapisana s frekvenčnimi komponentami do 1 kHz. Zato je potrebno poznati doprinos šuma bralne elektronike v tem frekvenčnem področju. Ker se z osvetlitvijo detektorja spreminja njegova upornost, ki hkrati predstavlja upornost na vhodu pretvornika, smo pri pasovni širini 1000 Hz določili vpliv različnih upornosti na celotni efektivni šumni tok pretvornika. Slika 3.29: Na vhod pretvornika bo priključen UV senzor. 67 3. poglavje 10- r-r IO'8 2 JO"9 IO io io- 10 -12 —i------t—t r ¦ ¦ ¦ ¦ ----------1-----1—i i i i 11 : ¦ ! Termiini Sum ;-~«4jr>orn(Kti 2Rl : ^v Vsota vseh ^v ä om rtih prispevkov iN*y ^~~^**- "x******"—t*«^^ [ Tokovni -•¦»^^ \t Tok napetostnega; | Šumni vir ^^^ ^Sjjmnega vira ] 1 . . 1 1 . 1 ti L 1 ¦ ¦ t 1 lij L 1 1 Hl"! i 1 l . i 1 111 1 1 1. 1 1 111 102 10J io4 103 Upornost [Q] 105 107 Slika 3.30: Efektivni šumni tok pretvornika v frekvenčnem pasu do 1 kHz (Bw = 1 kHz) za različne upornosti na vhodu. Celotni efektivni šumni tok, ki je vsota posameznih efektivnih šumnih komponent, določa naslednja enačba kjer je Iejm efektivni termični šum, hfnap efektivni napetostni šum in Ieftok efektivni tokovni šum. Njihove vrednosti se določijo po enačbah (3.36), (3.37) in (3.38), kjer je tokovni prispevek neodvisen, napetostni in termični prispevek, pa odvisen od upornosti R na vhodu pretvornika. /^=6.66.10-'^ (3.36) ef _ nap 1.85-KT V R (3.37) 'efjur 4.07'1Q-9VVÄ (3.38) Iz slike 3.30 lahko razberemo, da je za upornosti pod 3'105ft prevladujoči efektivni napetostni Šum, nad to mejo, pa ekvivalentni tokovni šum. S stališča detektorskih sistemov je zaželeno, daje v čim večjem razponu vhodnih upornosti prevladujoči efektivni termični Šum, kar pa se v našem primeru ne zgodi. Na I-U pretvornik bo priključena dioda pin, katere diferencialna upornost je odvisna od delovne točke. Ker I-U pretvornik na svojem vhodu vzdržuje virtualen kratek stik, bo dioda/?/« delovala pri ničelni napetosti. V tem primeru se 68 Karakterizacija diferencialna upornost določi po enačbi ro = Ut I h, kjer je UT termična napetost (25 mV) in Is tok nasičenja (Tipično 10 nA). Tipične vrednosti diferencialne upornosti so v rangu nekaj MQ. V tem območju upornosti je prevladujoči ekvivalentni tokovni šum s konstantno vrednostjo hfjok- 6.66*10"" A. 69 3. poglavje 3.2.3 A-D pretvornik 3.23.1 Prenosna karakteristika A-D pretvornika V opisu delovanja A-D pretvornika je bilo omenjeno, da lahko pretvarjamo vhodno napetost ali tok v izhodni digitalni signal. Napetostna prenosna karakteristika A-D pretvornika je bila izmerjena v območju med 0 V in 1.1 V. Njen lineariziran potek je določen z naslednjo enačbo C/[V] = 0.8056-L/^-0.03602[v]. (3.39) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Vhodna napetost [V] 0.8 0 6 1 p p p r i r i t 1 1 r T \---------P---------1 F r .... • Vi 0 4 - . 1 ' 2 0.2 0.0 ( .n ? ¦ V : _1_______1_______p—p—1 .... —p—p—1—1—1 ¦ 1.2 1.4 Slika 3.31: Napetostna prenosna karakteristika je bila izmerjena v območju, ki ga določata referenčni napetosti. Zgornja meja vhodnega napetostnega območja je določena z vsoto pozitivne in negativne referenčne napetosti. Ob absolutnih vrednostih obeh referenčnih napetosti 0.63 V, znaša vhodno napetostno območje pretvornika 1.26 V. 70 Karakterizacija o E a C 1.0 0.8 - 0.6 0.4 - «j J °'2 -O < 0.0 --------1---------1---------T--------1-------- f-------1-------1-------1-------1------- ¦ i i i i—r t i—t— i------r r- t— lili - ¦ ; o ¦- °° o°° °°°n °00° °°0 On u u n n o ¦ i ¦ 0.0 0.2 1.2 1.4 0.4 0.6 0.8 1.0 Vhodna napetost [V] Slika 3.32: Nelinearnost pretvornika je v celotnem vhodnem območju pod 1 %. Nelinearnost karakteristike je bila določena po istem principu kot že pri prej obravnavanih pretvornikih inje v celotnem izmerjenem področju pod 1 % (slika 3.32). Veliko bolj zanimiva za primerjavo z ostalimi pretvorniki je prenosna karakteristika pri tokovnem vzbujanju. Vhodno območje pretvornika je določeno z internima uporoma in referenčnima napetostima. Upornost interno vgrajenih uporov znaša 2 kO. kar pri referenčni napetosti 1.26 V, določa maksimalno vrednost vhodnega toka 630 uA. Tokovna prenosna karakteristika pretvornika, ki je bila pomerjena v tokovnem območju med 1 nA in 600 uA, je prikazana na sliki 3.33. 71 3. poglavje 1.2 1.0 0.8 E 0.6 O I 0.4 Bi « 0.0, -0.2 : ^x1 : j^ nO*' '-¦ — * —-lo ' /' . . . . ..... , 100 200 300 400 Vhodni tok [uA] 500 600 Slika 3.33: Prenosna karakteristika A-D pretvornika, ki je bila pomerjena v tokovnem območju med 1 nA in 600 pA, izkazuje veiiko ukrivljenost pri vhodnih tokovih nad 350 pA. Ukrivljenost je posledica preobremenitve vgrajenih stikal. Lineariziran potek prenosne funkcije zapišemo z enačbo 6'[V]= 1.9892 IM /m[M]-0.0299[v} (3.40) 100 Q T-» ^ 10 a ¦j a -S v 0.01 < 0.001 ........r_____I___L > ¦ ' ¦ ......._____I___I__.....1____I___i__<¦ ' ¦ IJ '._____¦___¦' ' ¦ n n 0.001 0.01 100 1000 0.1 1 10 Vhodni tok [jiA] Slika 3.34 : Nelinearnost prenosne karakteristike A-D pretvornika v območju med 1 n A in 600 pA. Že bežen pogled na sliko nam razkrije veliko ukrivljenost prenosne funkcije pri vhodnih tokovih nad 350 uA. Še lepše je ukrivljenost vidna iz grafa nelinearnosti (slika 3.34), ki je bila določena po enakem principu kot pri ostalih pretvornikih, le z eno razliko, da so bile pri 72 Karakterizacija linearizaciji upoštevane točke do 350 uA. V območju od 3 uA do 350 uA je nelinearnost pod 1 %, zunaj tega intervala pa strmo narašča. Pri vrednostih nad 350 uA proti 600 uA pa strmo narašča proti 20 %. Pri vhodnih tokovih pod 3 uA nelinearnost prav tako narašča in tudi prekorači mejo 100 %. Poraja se vprašanje, zakaj izkazuje pri pretvorbi toka A-D pretvornik večjo nelinearnost kot pri pretvorbi napetosti? Pri pretvorbi vhodnega toka smo vključili dodatna upora, na katerima se meri padec napetosti, in stikala. Vlogo stikal opravljajo tranzistorji MOS, ki se pri tokovih nad 350 ^A, približujejo nasičenju. Z uporabo notranjih uporov smo tudi porušili ničelno vhodno napetost, kije potrebna, če želimo meriti temni tok UV detektorja. To slabost rešimo z uporabo I-U pretvornika, ki bi fototok diode pretvoril v napetost, le-ta pa bi predstavljala vhodno veličino A-D pretvornika. Nelinearnost sistema bi bila enaka vsoti posameznih nelinearnosti, ki pa bi bila kljub temu veliko manjša, od nelinearnosti pri direktni pretvorbi toka UV detektorja z A-D pretvornikom. w 3.23.2 Su m ne lastnosti A-D pretvornika Gostota močnostnega spektra tokovnega šuma, ki je bila izmerjena v frekvenčnem področju med 2 Hz in 50 kHz, je za različne decimatorje prikazana na slikah 3.35 in 3.36. 10° 10" IO2 IO3 IO4 10! Frekvenca [Hz] Slika 3.35: Gostota močnostnega spektra tokovnega Suma je bila izmerjena pred decimatorjem in za decimatorjem. Za decimator je bil uporabljen nizkopasovni filter različnih redov s polom pri 600 Hz. 73 3. poglavje 10° IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 Frekvenca [Hz] Slika 3.36: Gostota močnostnega spektra tokovnega Suma je bila izmerjena pred in za deci m a tor jem. Za decimator je bit uporabljen nizkopasovni filter s polom pri 800 Hz različnih redov 2,3 in 4. Gostota močnostnega spektra tokovnega šuma je sestavljena iz dveh prispevkov: belega in kvantizacijskega Šuma. Komponenta belega Šuma se giblje v področju med 10"9AA/Hzin 5-10-9AA/Hz\ Kvantizacijski šum, ki je razlika med analognim in digitalnim signalom, nastane zaradi digitalizacije vhodnega analognega signala [17]. Njegova vrednost raste s frekvenco s povprečnim naklonom 40dB/dec, zato je za njegovo zmanjšanje, potrebno uporabiti filter z enakim negativnim naklonom (filter 2. reda). V našem primeru se kvantizacijski šum pojavi na izhodu pretvornika, ker obravnavani pretvornik nima decimatorja, katerega osnovna naloga je prav zmanjšanje kvantizacijskega Šuma. Če je decimator realiziran v samem integriranim vezju, ni zaključevanja izhodnega signala na vhod, zato so posledično manjše motnje izhodnega signala. V našem primeru imamo kvantizacijski šum z naklonom 40 dB/dec, kar pomeni, da bi za izravnalo frekvenčnih komponent nad 600 Hz potrebovali filter drugega reda. Na sliki 3.35 je prikazan potek gostote močnostnega spektra tokovnega šuma pomerjenega pred decimacijo in za filtrom, katerega pol je pri 600 Hz in red 2, 3 ali 4. 74 Karakterizacija 3.2.4 Povzetek lastnosti pretvornikov bralne elektronike Sedaj, ko smo podrobno opisali posamezne pretvornike, lahko povzamemo njihove najpomembnejše lastnosti. To so: vhodna območja, nelinearnost prenosne karakteristike, dinamične lastnosti in gostote močnostnega spektra tokovnega šuma. Začeli bomo s statičnimi značilnostmi in preko dinamičnih lastnosti zaključili s Šumnimi lastnostmi. 3.2.4.1 Statične lastnosti pretvornikov V tabeli 3.3 smo za posamezen pretvornik združili pomembnejše statične lastnosti, med katerimi so vhodna območja in linearizirane prenosne karakteristike. Pretvornik Izmerjeno vhodno območje toka Vhodno območje z nelineamostjo L ine ar iz i ran potek prenosne Jul y ^^^ilMiV/" jI i »T : l-U pretvornik : ........ 1 10 Vhodni tok [jiA] 100 1000 Slika 3.37: Na podlagi izmerjene prenosne karakteristike in njenega linea rizi ranega poteka je bila določena nelinearnost za posamezni pretvornik. 75 3. poglavje Poleg tega se pretvorniki razlikujejo tudi v nelinearnostih prenosnih karakteristik (Slika 3.37). Najmanjša je pri I-U pretvorniku, ki je skoraj v celotnem območja pod 1 %, razen tik pod vrhom izhodne napetosti, ko se izhodna napetost približa napetosti nasičenja. Takrat se nelinearnost približa meji 7 %. Pri ostalih dveh pretvornikih je nelinearnost mnogo večja predvsem pri nižjih vrednostih vhodnega toka. Pri A-D pretvorniku se pri toku 1 nA približa 80 %, na drugi strani prenosne karakteristike, nad 350 uA, pa ukrivljenost preseže mejo 10 %. Za dinamične lastnosti lahko rečemo, da v celoti izpolnjujejo načrtovalske zahteve glede mejne frekvence, ki je bila, glede na lastnosti UV senzorja, predvidena pri fnačrtovaiska = 1 kHz. Še več, /- U pretvornik ima mejno frekvenco pri 13.5 kHz in le za 1.5 kHz nižje od predvidene s strani načrtovalca. Pri I-f pretvorniku je otežena določitev dinamičnih lastnosti, ker je pretvornik nelinearen sistem. Zato smo s simulacijo njegovega delovanja določili relacije med veličinami, ki vplivajo na mejno frekvenco, in prišli do naslednjega zaključka, da je mejna frekvenca linearno odvisna od amplitude vhodnega toka in inverzno povezana z razliko med napajalno in referenčno napetostjo nap ref Pri /-/pretvorniku smo prišli do zaključka da se dinamične lastnosti in zahteve po Čim večji točnosti pretvorbe medsebojno izključujejo. Če želimo imeti pretvornik z daljšim časom integracije (večja točnost), bodo slabše dinamične lastnosti, kot pri pretvorniku, s krajšim časom integracije (enačba 3.41). Za primerjavo šumnih lastnosti obravnavanih pretvornikov je najbolj zanimiv potek gostote močnostnega spektra tokovnega šuma na vhodni strani pretvornikov, ki je prikazan na sliki 3.38. Pri /-/ in I-U pretvorniku je gostota močnostnega spektra tokovnega šuma v približno enakem intervalu, za razliko od A-D pretvornika, katerega spekter je za razred višji. Poleg tega je pri prvima dvema spekter sestavljen iz belega in l//šuma, s tem, da je pri I-U pretvorniku opazen vpliv l//šuma pri višjih frekvencah, kot pri /-/pretvorniku. V končni različici senzorja bo vedno na vhodu bralne elektronike priključen UV detektor, katerega tok in upornost se spreminjata z njegovo osvetlitvijo. Zato je za ustvarjanje popolne slike o šumu pretvornikov, upoštevati tudi odvisnost gostote močnostnega spektra Šuma od vhodnega toka (upornosti), ker tedaj zajamemo tudi vpliv ekvivalentnega napetostnega šumnega vira. 76 Karakterizacija tri i—i i i i imi-------<—i t 11F¦ ri-------1—i i Tin eoo Hz: 10 10* 10-' io-2 IO"1 10° 10' IO2 IO3 Frekvenca [Hz] Slika 3.38: Gostota močnostnega spektra I-f, I-U in A-D pretvornika 105 77 3. poglavje 3.3 Karakterizacija samostojnih UV detektorjev Z namenom določitve optimalnega detektorja za določanje UV indeksa so bile izdelane štiri strukture detektorja/?/« z različnimi debelinami prednje plasti, kakor tudi samih plasti /?, i in «. Na podlagi primerjave električnih, optičnih, dinamičnih in šumnih lastnosti smo izbrali najboljšo strukturo za merjenje UV indeksa. Za najboljšo se izkaže linearna kombinacija širokopasovnega in ozkopasovnega detektorja/?/«. Torej osnova so bile Štiri strukture (A, B, C in D) različnih tipov in debelin plasti. Struktura Ag P i n A 10 nm 5 nm 30 nm lOnm B lOnm 5 nm 30 nm lOnm C lOnm 5 nm 10 nm 20 nm D lOnm 3 nm lOnm 20 nm Tabela 3.4: Debeline posameznih plasti diode pin 33.1 Električna analiza UV detektorja Tokovno-napetostna I(U) karakteristika detektorja, ki jo izmerimo v pogojih brez osvetlitve, je pomemben podatek, iz katerega lahko dobimo osnovne informacije o kvaliteti detektorja. Pri polprevodniških diodah, kakor tudi pri večini a-Si:H diodah/?/«, jo lahko, z dokaj dobrim približkom, analitično zapišemo z eksponentno funkcijo idealne diode / = /. f _y_ e"u? -1 (3.42) J kjer je/s tok nasičenja diode, n faktor kvalitete in UT termična napetost EL UTm. (3.43) Iz zapisa karakteristike razberemo, da z večanjem prevodne napetosti tok eksponentno narašča, medtem ko se pri večanju napetosti v zaporni smeri približuje vrednosti -Is (tok nasičenja). Mnogokrat je potrebno upoštevati še dodamo serijsko (Rs) in paralelno "shunt" upornost (Rsh). Z Rs upoštevamo efekt, ko pri večjih prevodnih tokovih eksponentna karakteristika preide v linearno področje, zaradi ohmske upornosti dopiranih plasti in kontaktov. Pri nizkih tokovih in pri zaporni napetost pa pride do izraza odtekanje toka preko robov strukture in morebitnih lokalnih kratkih stikov v strukturi (zajede v plasteh), kar modeliramo z dodatno paralelno upornostjo Rsj, (slika 3.39). Meritve I(U) karakteristike brez osvetlitve razkrijejo velik vpliv „shunt" upornosti RSh (nizka upornost), ki je izrazitejši 78 Karakterizacija predvsem pri tanjših plasteh i, in se pri debelini 10 nm približa vrednosti 100 %. Prav tako se z večanjem površine sprednjega kontakta povečuje delež slabih diod, za kar je možen vzrok v neenakomernosti porazdelitve vročih točk. Mikroskopski pogled v strukturo nam razkrije prisotnost ozkih izboklin (zajed), ki lahko povzročajo lokalne kratke stike. Njihov možen vzrok je nečistoča komore ali osnovnega materiala za naprševanje. Slika 3.39 Enostaven DC model a-Si:H strukture pin Na sliki 3.40 so prikazane izmerjene I(U) karakteristike brez osvetlitve nekaterih a-Si:H struktur nip, ki nimajo močno izraženega "shunt" efekta. Meritve nam pokažejo precejšnjo razliko v obliki karakteristik v vseh področjih delovanja. V prevodni smeri ima struktura z u rdm •-CJÜ) R sh Slika 3.43 Osnovni dinamični model a-Si:H diode pin je povzet po klasičnem d modelu diode, vgrajenem v paketu SFICE. linamifnem 82 Karakterizacija Vpliv serijske upornosti Rs}e znatnejši predvsem pri višjih frekvencah, zaradi približevanja absolutne vrednosti impedance geometrijske kapacitivnosti upornosti Rs. Prav tako je pomembno razmerje RJr^, ki vpliva na znižanje poteka C(/) v celotnem frekvenčnem območju. Ker osnovni dinamični model z impedancama ne zajema vseh lastnosti diode pin, smo njegov model nadgradili z verigo vzporedno vezanih RC členov. Ti dodajo vpliv interakcije prostih nosilcev naboja z zvezno porazdeljenimi lokaliziranimi stanji v energijski reži strukture. Združimo jih v skupine, glede na lego stanj v energijski reži. n J? osnovni dinamični model rdm ¦-CXU) dinamika ujetega naboja R ai cm Cn(U) Slika 3.44: Nadgrajen dinamični model a-Si:H diode pin, kjer je k osnovnemu dinamičnemu modelu dodanih več RC členov, ki opisujejo dinamiko ujetega naboja v pasteh. Vsako skupino stanj opišemo s časovno konstanto, ki jo modeliramo z RC členom. Za opis celotnega dinamičnega sistema pa je potrebno vključiti več časovnih konstant. Za naš primer. so za zadovoljiv opis dinamike v frekvenčnem območju, dovolj že trije RC členi. Določitev vrednosti parametrov R in C pa je zapletena, ker je potrebno sočasno spreminjati njihove vrednosti, da bi ujeli izmerjene poteke C(f) in G(f). 100 90 m 70 t-, 60 S 50 U 40 30 20 10 U .,,„,- , |.....|| ¦ ' '™'i ' "........ ""1 : 0.8 V hKa SR570 + SR78Ü v ? /~\ ODD o( ÇDDD a ona n QQDOO D D D DDD d aaaaa Slika 3.46 Meritev tokovnega Suma a-Si:H diode pin. Delovno točko diode aastavljamo z napetostnim virom t/hiax, izhodno enosmerno napetost pa odštevamo z virom UOJj, Z virom Ut,as nastavimo delovno točko diode, vir U0g pa služi za odštevanje enosmerne napetosti na izhodu predojačevalnika. Na vhodu spektralnega analizatorja namreč enosmerna napetost ni zaželena, ker moramo uporabiti večje vhodno območje in s tem poslabšamo njegove šumne lastnosti. Za fino nastavljanje želene napetosti, so v serijo z baterijo, dodana dva spremenljiva žična upora. Sedaj, ko poznamo vse glavne izvore Šuma, lahko izdelamo šumni model celotnega merilnega sistema tokovnega šuma a-Si:H diode pin (slika 3.47). pin bias + coax SR570 Slika 3.47 Šumni model celotnega merilnega sistema tokovnega Suma a-Si:H diod/uri z upoStevanjem vseh znanih dejavnikov, ki znatno vplivajo na rezultat meritve. 84 Karakterizacija Z Rbias in Su Rbias smo ponazorili vpliv upornosti in šuma napetostnega vira za določitev delovne točke. Kapacitivnost koaksialnega kabla Ccoax ob dolžini 65 cm znaša Ccoax = 65 pF (1 pF/cm-65 cm). Za enostavnejši prikaz smo vse parametre dinamičnega modela združili v impedanco Zpi„\ h kateri so vzporedno vezani trije šumni tokovni generatorji. Ti so: zrnati šum Sishah šum parazitne "shunt" upornosti Slshuni in 1//šum Su//- Dinamične lastnosti transimpedančnega predojačevalnika zajamejo vhodna upornost Rin, pripadajoča gostota močnostnega spektra napetostnega šuma Su Rin ter gostota močnostnega spektra tokovnega St in in napetostnega Su ,„ šuma. Slika 4.48 prikazuje posamezne komponente gostote močnostnega spektra šuma na vhodu predojačevalnika za diodo/?/« (d, = 400 nm) v termičnem ravnovesju. Opazimo, da je prevladujoči šum merilnega sistema nad ostalimi šumnimi komponentami, zaradi relativno velikega "shunta". Ker se dioda nahaja v termičnem ravnovesju, izkazuje le termični šum. \lf oblika izmerjenega spektra je le posledica Šuma merilnega sistema in nima izvora v detektorju. 10-" ~ io-12 < 1 io-13 t '¦r. | i 320 nm je strmina eksponentnega upadanja manjša in spekter doseže 1.2-10 pri X = 400 nm in • za X > 400 nm spekter ni definiran oz. je enak 0. S pomočjo eritemalnega spektra občutljivosti kože (ES) utežimo spekter sončnega sevanja (našega UV izvora). Integral rezultata po valovni dolžini nam da efektivno eritemalno moč sevanja (EM), na podlagi katere so definirane različne kvantitativne veličine, ki določajo učinkovitosti UV sevanja za povzročitev kožnih opeklin. Efektivno eritemalno moč sevanja določimo z naslednjim izrazom EM= JES(A)-S(Z)-dA [w/m2], (3.45) kjer je S(X) spekter sončnega sevanja. Celotna slika določitve EM je prikazana na slik 3.52. Podatek za celotno moč vpadnega sončnega sevanja za prikazan spekter je 36.8 mW/cm2, medtem ko je integral spektra z ES utežitvijo EM =25 p W/cm2. 88 Karakterizacija 10s IO2 5 IO1 s, I 10° I I io-1 e L IO"2 io-: 280 300 320 340 360 A [nm] 380 400 420 Slika 3.52 Standardni spekter občutljivosti kože ES(A) po standardu C1E1987, s pomočjo katerega utežimo vpadno sončno sevanje S(A) za določitev efektivne eritemalne moči sevanja EM. Jakost koži nevarnega sevanja običajno označujemo z UV indeksom {UVI), ki so ga določili v ameriški instituciji za zaščito okolja „Environmental Protection Agency". Dobimo ga, če efektivno eritemalno moč sevanja EM v W/m množimo s 40 m /W UVI = EMJW/m2 J- 40 [m2 / Wj (3.46) 89 4 Nadgradnja OptoASIC-a v sistem Razvoj naprave ali programa dobi smisel, ko se le-ta implementira v praktični aplikaciji. To je tudi cilj razvoja UV senzorja, ki bi ga lahko uporabljali kot cenen senzor UV indeksa široke potrošnje. Celoten detektor s pripadajočo elektroniko bi imel velikost samolepilnega obliža, ki bi ga prilepili na telo (recimo ramo). Predvsem v današnjem času, ko so sončne opekline telesa vse pogostejše, bi z enostavnimi in cenenimi senzorji zaznavali trenutni UV indeks in s piskom obveščali uporabnika na prejeto minimalno eritemelno dozo sevanja. Celoten sistem, poleg detektorja/?/« in bralne elektronike, sestavljajo PV generator (napajanje), logika (nadzor) in piezo piskač (opozarjanje). Shematični prikaz nadgradnje OptoASIC-a v sistem in predvidena nivojska razporeditev komponent sistema je prikazana naslikah 4.1 in 4.2. PV tip 5V r i r V gcitciaiui ! < ' F r Logika Piezo piskač Dele K Bralna el CR. U f'JIJh-.il Slika 4.1: Shematični prikaz nadgradnje OptoASIC-a v sistem De te klor pin PV generator Bralna elektronika Logika Piezo piskač Slika 4.2: Razporeditev komponent celotnega sistema po nivojih Za napajanje celotnega sistema bi uporabili PV generator, ki bi bil integriran na istem substratu kot OptoASIC. PV generator sestavljata mini modul sončnih celic in napetostni regulator, ki skrbi na vhodni strani, da mini PV modul čuti optimalno breme (Pmax), na izhodni strani pa stabilizira izhodno napetost. Napajalna napetost bralne elektronike (velja za vse pretvornike) je U„ap = 5 V, zato bi bilo potrebno realizirati napetostni regulator z enako izhodno napetostjo. Izračun UV indeksa na podlagi izhodnega signala bralne elektronike bi opravljal sklop logika, ki tudi generira signal za piezo piskač. Vloga piezo piskača je opozarjanje uporabnika na pretečen maksimalni čas izpostavljenosti sončnemu sevanju, kije odvisen od UV indeksa, tipa kože in UV faktorja zaščitne kreme. Pri nas UV indeks poleti le izjemoma v gorah preseže 10, po nižinah pa je običajna zgornja meja 9. Objavljamo najvišjo dnevno vrednost, ki jo ob jasnem vremenu pričakujemo okoli 13. ure. Zaradi velike razlike med razmerami v nižinskem svetu in gorah, objavljamo vrednosti tako za gorski svet, kot tudi za nižino [18]. 91 4. poglavje Stopnja izpostavljenosti UV indeks Barvna oznaka Nizka 1-2 Zelena Zmerna 3-5 Rumena Visoka 6-7 Oranžna Zelo visoka 8-10 Rdeča Ekstremna Nad 11 Vijolična Tabela 4.1: Opredelitev stopenj izpostavljenosti glede na UV indeks Veliko bolj, kot vrednost UV indeksa, je za ljudi uporabna enota minimalne eritemelne doze (MED), ki opisuje vpliv časovne izpostavljenosti kože UV sevanju, kjer se upošteva tip človeške kože. MED je definirana kot tista eritemalna doza ED, ki povzroči opazno pordečitev Človeške kože. Ker so posamezniki različno občutljivi na UV sevanje, zaradi različne količine pigmenta v koži, se pri evropski populaciji vrednost MED giblje v območju med 200 in 500 J/m2. Za različne tipe kože je vrednost MED prikazana v tabeli 4.2 Tip kože Barva kože Porjavitev Opekline Občut. na UV MED [J/m2] 1 vpadljivo svetla nikoli vedno zelo velika 150-300 2 svetla zmerna pogosto velika 250-400 3 srednje svetla postopna minimalno srednja 300-500 4 svetlo rjava temeljita redko zmerna 400 - 600 5 rjava obsežna zelo redko minimalna 600 - 900 6 temno rjava, Črna popolna nikoli neobčutljiva 900-1500 Tabela 4.2 Definicija tipov kože, njihove značilnosti in pripadajoče vrednosti MED Iz podatkov o tipu kože, ki nam dajo orientacijske vrednosti MED in podatka o trenutnemu UV indeksu, lahko enostavno izračunamo maksimalni Čas, ko se smemo brez večjih posledic opeklin izpostavljati sončni svetlobi. Maksimalni čas ob konstantni vrednosti UV indeksa se izračuna po enačbi 4.1 MED [Ws/m2 I r , i tmm =----------------- ¦ 40 K/WJ. UVI (4.1) Vrednost UV indeksa se čez dan spreminja, zato ni možno določiti maksimalnega časa izpostavljenosti soncu po enačbi 4.1, ampak ga izračunamo iz naslednje integralske enačbe 4.2 MED [Ws/m2]=40 [m2/w]- ^UVI(t)-dt (4-2) Če pri izpostavitvi sončnemu sevanji uporabljamo zaščitno kremo z UV faktorjem (UVF), tega upoštevamo tako, da ga množimo z dobljenim časom 92 Nadgradnja OptoASlC-a v sistem , =UVF-t 1 max ob zaščiti " " ' 'pi (4.3) Iz izhodnega signala pretvornika bi z logiko razbrati trenutni UV indeks in opravljali časovno integracijo, vse dokler uporabnik ne doseže minimalne eritemelne doze. Pri izračunu tmax bi upoštevali tudi tip kože in U V faktor zaščitne kreme, ki bi ju uporabnik vnesel pred uporabo, Po prejeti minimalni eritemelni dozi sevanja, bi pisk piezo piskač opozoril uporabnika na povečano tveganje ob nadaljnji izpostavitvi sončnim žarkom. > Logika /-/pretvornika Pričnimo z logiko za obdelavo in zaznavanje izhodnega signala /-/pretvornika, katerega izhod je pravokotni signal z dolžino pozitivne periode med 43.2 ms in 8.14 us. Zato bi za njihovo natančno določitev potrebovali hiter generator impulzov in Števec le-teh. Predvsem je zahtevna natančna določitev izhodnega časa 8.14 us, ki ustreza toku 60 uA. Za njegovo določitev, z natančnostjo okoli 0.1 %, potrebujemo generator pravokotnih impulzov s frekvenco v območju 100 MHz, kar pa predstavlja velik problem, ker je večina cenenih procesorjev, ki opravljajo generiranje in štetje signala, omejena z urinim signalom le na nekaj MHz. JL Izhodni signal pretvornika Visokofrekvenčni urin signal Slika 4.3: V času visokega izhodnega stanja /-/ pretvornika se Šteje Število period visokofrekvenčnega urinega signala, ki je proporcionalno dolžini pozitivne periode. izhod /-/ Ste vec pretvornik impulzov Visokofrekvenčni urin signal /. N Slika 4.4: Blok shema meritve dolžine pozitivne periode. Dolžino pozitivne periode izhodnega signala I-f pretvornika, določimo tako, da v času visokega stanja izhoda štejemo impulze N visokofrekvenčnega urinega signala fv. Dolžino pozitivne periode ob vzorčenju z visokofrekvenčnim signalom dobimo z enačbo 93 4. poglavje T = — + /' J v (4.1) Na podlagi predhodno pomerjene prenosne karakteristike UV senzorja, se bi za posamezne vrednosti pozitivne periode izhodnega signala določil UV indeks, ki bi ga integrirali po času. Iz podane vrednosti minimalne eritemalne doze sevanja in UV faktorja zaščitne kreme {UVF), se bi določil maksimalni čas izpostavitve soncu. > Logika 1~U in A-D pretvornika Ker je napetost izhodna veličina I-Um A-D pretvornika, se bi za oba pretvornika uporabila enaka logika. Na podlagi prenosne karakteristike celotnega UV detektorja, ki bo naknadno pomerjena, se bi določile mejne napetosti, ki ustrezajo posamezni vrednosti UV indeksa. Na podlagi mejnih napetosti bi nato določili vrednosti uporov R[ do R\\, Ko napetost pretvornika preseže napetost za posamezen UV indeks, se postavi izhod primerjalnika tega intervala v visok nivo. Pri čemer se lahko v visok nivo postavijo izhodi več pretvornikov (UVI\ do UVlu). Časovna integracija UV indeksa, ki je pomnožena s faktorjem UV zaščitne kreme, nam da eritemalno dozo. Ko eritemalna doza doseže vrednost minimalne eritemalne doze, se sproži signal piezo piskača. R- R, Î t"-+ i—H I „ UVL UVI, Izhod/-[/ali A-D pretvornika Slika 4.5: Določitev UV indeksa na podlagi izhodne napetosti pretvornika 94 5 Zaključek V magistrski nalogi smo se predvsem posvetili karakterizaciji in analizi delovanja pretvornikov bralne elektronike, kjer smo določili njihove statične, dinamične in šumne lastnosti. V eni silicijevi rezini so bili integrirani štirje pretvorniki, ti so: tokovno-frekvenčni, tokovno-napetostni, analogno-digitalni in tokovno-tokovni pretvornik. Pri čemer je vloga slednjega le zaščita pred statičnim razelektritvami. Naše glavno vodilo je bilo poiskati najprimernejši pretvornik za praktično realizacijo, tako z električnega, kot tudi s stališča zahtevnosti izdelave. Meritve spadajo med zahtevnejši del razvoja določene naprave, ker je potrebno zelo dobro poznati delovanje merjenca, kot tudi različne merilne metode. Prav tako je potrebno oceniti vpliv drugih dejavnikov na meritve, ki imajo izvor zunaj merjenca. Mnogi se njihove zahtevnosti in pomena žal ne zavedajo. Zato na začetku z nekaj besedami orišemo delovanje posameznih pretvornikov in podamo zahteve za njihovo pravilno delovanje. V nadaljevanju opišemo merilne metode, ki so bile različne od pretvornika do pretvornika, kakor tudi za določitev njihovih statičnih, dinamičnih in šumnih lastnosti. Predvsem nam je veliko časa odščipnilo zmanjševanje oz. eliminiranje motenj pri meritvah šuma, kjer je bilo potrebno, iz začetne uporabe omrežnega napajalnika, preiti na baterijsko napajanje. Vendar kljub temu nismo prišli do želenih rezultatov. Zadovoljivo zmanjšanje motenj okolice smo dosegli, ko smo sistem, vključno z baterijskim napajanjem, zaprli v škatlo iz mumetala. V nadaljevanju za posamezne pretvornike celovito in smiselno podamo rezultate karakterizacije. S stališča statičnih lastnosti ima največje vhodno tokovno območje A-D pretvornik, katerega prenosna karakteristika pa žal izkazuje veliko nelinearnost. Manjšo nelinearnost prenosne karakteristike, ki se približa meji 10 % tik pod vrhom zgornje meje vhodnega tokovnega območja, ima I-U pretvornik. Vendar ima od vseh obravnavanih pretvornikov najmanjše vhodno tokovno območje. Kot slednji, /-/pretvornik odlikuje veliko vhodno tokovno območje, vendar njegova prenosna karakteristika izkazuje veliko nelinearnost, ki preseže tudi mejo 100 %. Za dinamične lastnosti pretvornikov lahko strnemo, da v celoti izpolnjujejo načrtovalske zahteve glede mejne frekvence. Koristna informacija UV detektorja je zajeta v frekvenčnih komponentah do 1 kHz, zato morajo biti pretvorniki transparentni v tem frekvenčnem področju. Pri I-U pretvorniku je mejna frekvenca, ki se nahaja pri 13.5 kHz, mnogo višje nad načrtovalsko zahtevo fnacnovahka = 1 kHz. V izmerjenem frekvenčnem področju ima pretvornik samo en pol, ker fazni potek frekvenčne karakteristike konvergira k -90° Pri /-/pretvorniku smo določili le relacije med električnimi veličinami, ki vplivajo na mejno frekvenco, same mejne frekvence pa nismo določili. Prišli smo do naslednjega zaključka, da je mejna frekvenca linearno odvisna od amplitude vhodnega toka in inverzno povezana z razliko med 95 5. poglavje napajalno in referenčno napetostjo. Ugotovili smo tudi, da se medsebojno izključujejo dinamične lastnosti in zahteve po Čim večji točnosti pretvorbe. Ob želji imeti pretvornik z daljšim Časom integracije, imamo slabše dinamične lastnosti, kot pri krajšem času integracije. Primerjava šumnih lastnosti je pokazala, da je pri /-/in I-U pretvorniku gostota močnostnega spektra tokovnega šuma v približno enakem intervalu, za razliko od A-D pretvornika, ki ima spekter za razred višje. Spekter je prvima dvema pretvornikoma sestavljen iz belega in \lf šuma, kjer je pri I-U pretvorniku opazen vpliv 1//Šuma pri višjih frekvencah kot pri I-f pretvorniku. Na kratko smo opisali tudi optične, električne, optoelektronske, dinamične in šumne lastnostmi UV detektorja in prišli do naslednjega zaključka, da je s stališča optičnih in električnih lastnosti boljša struktura pin, kot pa struktura nip. Kjer ima struktura pin, plasti/? in i izdelani iz a-SiC:H s Širšo optično režo, hkrati pa naj bo prednja plast p čim tanjša. Debelina plasti i pa je pogojena z razmerjem med absorbirano svetlobo v UV in vidnem spektru. Najpomembnejša ugotovitev analize UV detektorjev je, da z linearno kombinacijo široko- in ozko-pasovnega detektorja dobimo dober detektor UV indeksa. Će na koncu strnemo vse v eno celoto in potegnemo črto pod do sedaj povedanim, s stališča električnih lastnosti in enostavnosti izdelave, najboljše lastnosti izkazuje I-U pretvornik, ki ima sicer majhno vhodno tokovno območje, vendar je v tem področju najmanjša nelinearnost prenosne karakteristike. Prav tako ga odlikuje majhen tokovni in napetostni šum. Se več, pri njem je potrebna dokaj enostavna elektronika za določanje minimalne eritemalne doze sevanja, v primerjavi z /-/'pretvornikom. Ena od omejitev praktične realizacije /-/pretvornika je kratek čas pozitivnega dela izhodnega signala (8.14 p.s), za kar bi potrebovali visokofrekvenčni generator in števec impulzov. A-D pretvornik kot samostojni pretvornik ni primeren, ker ima v primeru pretvorbe toka, na svojem vhodu vključena dva upora, na katerima se meri padec napetosti. To ima za posledico od nič različno vhodno napetost pretvornika. Uporabnejša je kombinacija I-U in A-D pretvornika, ki sta vezana v serijo, ker tedaj ne potrebujemo internih uporov. Tedaj lahko A-D pretvornik vzdržuje virtualno ničlo na vhodu. Za opisano kombinacijo dveh pretvornikov je predvidena enaka logika za določanje minimalne eritemalne doze sevanja, kot pri I-U pretvorniku. Vsekakor pa bi bilo potrebno karakterizirati UV senzor, ker bi tedaj prišli do bolj verodostojnih zaključkov, kot pa sedaj, ko smo ocenili zahtevnost realizacije posameznih sklopov UV senzorja (UV detektor, bralna elektronika in logika za izračun minimalne eritemalne doze sevanja). Vendar velikega odstopanja od podanega zaključka ne pričakujemo. 96 6 Priloge Kl J\pSa ^ 1WnF ICI IN OUT J ; LU317 C1 IfluF D '+e.V 0C5 | C3 —»—---------«--------------11-------f*äiöl K3 PUSA CS lOBnF sil* LM337 C2 1BuF IN OUT II— C5 lauF i«of IC2 Ewl Slika 6.1 : Vezje za stabilizacijo napajalne napetosti in ustvarjanje referenčnih nivojev Slika 6.2: Nizko šumni O. O. za potrebe f-U pretvornika 97 6. poglavje fp ? I — Id Sflt . Li - ¦x- nu T îag k î ITI ffe Bi* ii A II L i* Slika 6.3: Priključitev ASIC-a na zunanje sponke in dodatna elektronika za ustvarjanje napetostnih referenc 7 Literatura [I] H. Fischer, J. Schulte, J. Giehl, M. Böhm, J. P. M. Schmitt, „Thin film on asic-a novel concept for intelligent image sensors", Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 258, str. 1139-1144, 1992. [2] H. Fischer, J. Schulte, P. Rieve, M. Böhm „Technology and performance ofTFA (Thin Film OnASIQ-Sensors", Mat. Res. Soc. Symp. Vol. 336, str. 867-872, 1994. [3] M. Böhm, „Imagers using amorphous silicon thin film on application specific integrated circuits technology", Non-crystalline solids, str. 266-269, 2000 [4] R.A. Street, R.L. Weisfield, R.B. Apte, SE. Ready, A. Moore, M. Nguyen, W.B. Jackson, P. Nylen, "Amorphous silicon sensor arrays for X-ray and document imaging', Thin Solid Films Vol. 296 pp. 172-176, 1997. [5] B,G. Streetman, S. Banerjee, Solid state electronic devices fifth edition, Prentice Hall, New Jersey, 2000. [6] M. Jankovec, analiza tankoplastnih detektorskih struktur iz amorfie ga silicija za detekcijo ultravijoličnega sevanja", doktorska disertacija, Ljubljana, 2005. [7] M. Topic, H. Stiebig, M. Krause, H. Wagner, „Adjustable ultraviolet-sensitive detectors based on amorphous silicon", Appi. phys. lett., Vol. 78, str. 2387-2389, 2001. [8] M. Krause, M. Topic, H. Stiebig, H. Wagner, „Thin-film UV detectors based on hydrogenated amorphous silicon and its alloys". Phys. status solidi, A, Vol. 185, str. 121-127,2001. [9] M. Jankovec, H. Stiebig, M. Crause, J. Krč, M. Vukadinović, F. Smole, M. Topic, Numerical and experimental study of aSi:H based ultraviolet sensitive detectors", J. non-cryst. solids, vol. 299-302, str. 1229-1233, 2002. [10] M. Topic, F. Smole, A. Groznik in J. Furlan, ,flew Bias-controlled three-color detectors using Stacked a-SiC:H/a-Si:H heierostructures", MELECON '96, str. 779-784, Bari, Italy, 1996. [II] R. A. Street, „Technology and Applications of Amorphous Silicon", Springer, Heidelberg, New York, 2000. [12] Paul G.A. Jespers, integrated Converters", Oxford University Press, New York, 2000. [13] http://www.2etatalk.com/info/tinfo22p.htm [14] A. Žunič, M. Jankovec, D. Strle, F. Smole, M. Topic, „ Noise characterization of the I-f converter in the opto ASIC' 40th MIDEM, Proc, pp 257-262, Maribor, Slovenia, 2004. 99 7. poglavje [15] N. Roberts, „Phase Noise and Jitter", EE Design, 2003. http://timing.zarlink.com/assets/Phase Noise and Jitter_Article.pdf [16] Rick Poore, „Phase Noise and Jitter", Agilent EEsof EDA, http://eesof.tm.agilent.com/pdf7iitter phasenoise.pdl* [17] A. Žunič, M. Jankovec, D. Strle, M. Topic, „Characterization of front-end read-out electronics of thin-film on ASIC\ 2n IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference MELECON 2004, Proa, str. 31-34, Dubrovnik, Croatia, 2004. [18] http://www.arso.gov.si/o agenciji/knii~znica/publikacije/bilten_2004_06.pdf [19] M. Böhm, ,Jmagers using amorphous silicon thin film on application specific integrated circuits technology', Non-crystalline solids, str. 266-269,2000 100 Izjava Izjavljam, daje pričujoče magistrsko delo rezultat samostojnega dela. Pomoč mentorja in sodelavcev sem v celoti navedel v zahvali. Andrej Žunič 101