Laveffekt CMOS pulsdetektor

\Formidlingavforskningerbasertpatopostulater.Fordet frsteatforskerneharnoeasi.Fordetandreatmottakerne harnoedenskeravite.Beggepostulatererselvsagtfeil."

GudmundHernes[5]

Forord

DennerapportenerdenskriftligedelenavmitthovedfagsstudiumgjennomfrtvedInstituttfor Informatikk,UniversitetetiOslo.Oppgavenoppstodsomresultatavetsamarbeidsprosjektmellom TandbergData,ogminveilederTorSverreLande.JegviltakkeTorSverreLandeogYngvarBergforveiledningogintroduksjontilanalogein- tegrertekretser,enformegnyogspennendegreninnenforvartfagfeltet.JegvilogsatakkeTand- bergDataformulighetentilavremedpaprosjektet.TakktilJohnArneNesheim,forgivende diskusjonerrundtdefagligeogikkefagligesidenevedrapporten,ogsistmenikkeminst;takktil korrekturleserene.

MortenSalomonsen Blindern,15.februar1994

Innhold

Figurer vii

1Innledning

1.1 Inndelingenavoppgaven ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :}

1

1

2Bakgrunn

2.1 Innledning2.2 Adaptivsensorforpulsetlys2.3 Prinsippetforsensoren2.2.1 Enmuligapplikasjon;lagringsenhetformagnetband2.3.1 Valgavteknologi^{: : : : : : :: :: ::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: :::::}

3

33345

3Uliketyperfotodetektorer

3.1 Innledning3.2 Fotoreseptoren3.3 Fotodioder3.4 Fototransistorene3.5 Oppsummering3.1.1 Fotoelektriskeffekt3.1.2 Mrkestrm3.2.1 Strmkildemedulinerkompresjon3.2.2 Bivirkningeravenulinersignalkompresjon3.3.1 Brnndioden3.3.2 Burrieddiode3.4.1 Oppbyggningenavfototransistorene3.4.2 Responsenforfototransistorene^{:: :: ::: ::::: ::::: ::::::: :::::::: :::::::: :::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::::: :::::::::::: :::::::::::: :::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: ::::::::::::: :::::::::::::} 1012121314141516

7

77889

4Filtreneisensoren

4.1 Innledning4.2 FiltreiCMOS4.3 Fasekorrigerendelteroglavpasslter4.2.1 OTA-Cltre4.3.1 Allpasslteret4.3.2 Etalternativtilallpasslteret4.3.3 Faselteretisilisium4.3.4 Malingeravfasedreiningogdempningifaselteret4.3.5 Fasesplitteren4.3.6 Lavpasslteret^{: : :: :: :: ::: :::::: :::::: :::::: ::::::: ::::::: ::::::: ::::::: ::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: ::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: :::::::::: ::::::::::}

19

19192021212223242527

v

4.4 Forsterkereneiltrene4.4.1 Transkonduktansforsterkeren4.4.2 Transkonduktansen4.4.3 EndringeravDC-niva^{: : : :: ::: ::: ::: ::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: ::::} 28282930 4.5 Oppsummering ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 32

5Sensoren

5.1 Innledning5.2 Komparatormedhysterese5.3 Sensorensoppbyggning5.4 Oppsummering5.2.1 Komparatoren5.2.2 Regulatoren5.3.1 Styfraskrivebordslampe5.3.2 Blandingavsagtannogsignalpulser^{: : : :: :: ::: :::: ::::: :::::: :::::: :::::: :::::: ::::::: ::::::: ::::::: ::::::: ::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: :::::::: ::::::::}

35

3535354141434444

6Diff1kretsensomenalternativsensor

6.1 Innledning6.2 Diff1kretsen6.3 Behovetforautlignefasene6.4 Kunnevivalgtenannenlsning?6.2.1 SensorenmedDiff1kretsen^{: :: :: :: :: :: :: :: :: ::: ::: ::: :::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: ::::: :::::}

47

4747484849

7Konklusjon

7.1 Oppsummering7.2 Konklusjon^{: : : :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: ::}

51

5152

Tillegg 53

AMOSTransistorenisvakinversjon

A.1EnmodellforMOS-FETtransistorenisvakinversjonA.1.1 KanalforkortningA.1.2 SubstrateffektA.1.3 Produksjonsavhengigevariasjoner^{: : :: :: :: :: :: :: :: :: ::: ::: ::: ::: ::: ::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: :::: ::::}

53

53545555

Referanser 57

vi

Figurer

2.1 5.25"QIC-band^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 4 2.2 Prinsippskisseavsensoren^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 5 3.1 DiodekopledePogNMOS-FETtransistorer ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 9 3.2 SammenhengmellomstrmogspenningforP-ogN-dioden^{: : : : : : : : : : : :} 10 3.3 Malingerforaillustrerehvordanfotoreseptorenpavirkesavkompresjonen^{: : : : :} 11 3.4 Sammenligningavresponsenforbrnndiodene^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 12 3.5 Sammenligningavresponsenforbrnndiodenogburrieddioden^{: : : : : : : : : :} 13 3.6 SnittgjennomNPNfototransistoren^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 15 3.7 SnittgjennomPNPfototransistoren^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 15 3.8 ResponsenforNPNogPNPfototransistorer^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 16 3.9 Frekvensresponsenforfototransistorene^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 17 3.10ResponsenforPNPfototransistorenogbrnndioden ^{: : : : : : : : : : : : : : : :} 17 4.1 Allpasslter ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 21 4.2 Faselteret ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 22 4.3 Avvikifasemellomfaselteretogallpasslteret,ogfaselteretsdempning^{: : : : :} 23 4.4 Faselteretisilisium ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 23 4.5 Storsignalresponsforfaselteret^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 24 4.6 Storsignalresponsforfaselteretvedknekkfrekvensen ^{: : : : : : : : : : : : : : :} 25 4.7 Maltdempningogfasedreiningforfaselteret^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 26 4.8 Fasesplitteren ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 26 4.9 Vinnog{VinnsomfunksjonavspenningenVfoto^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 27 4.10Lavpasslteret ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 28 4.11Wide-rangetranskonduktansforsterker^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 29 4.12Transkonduktansforsterkermedkaskodestrmspeil^{: : : : : : : : : : : : : : : : :} 31 4.13MalingavDC-nivaforlavpass-ogfaselteret^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 32 5.1 Komparatormedhysterese^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 36 5.2 Beregnethystereseisterkinversjon^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 38 5.3 Beregnethystereseisvakinversjon^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 39 5.4 Komparatorenshystereseisvakogsterkinversjon ^{: : : : : : : : : : : : : : : : :} 40 5.5 Regulatorenforstrmmentilkomparatorenmedhysterese^{: : : : : : : : : : : : :} 41 5.6 Skisseavsensoren^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 42 5.7 Sensorensresponsutenbakgrunnslys ^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 42 5.8 Malingpasensorenmedskrivebordslampesomstykilde^{: : : : : : : : : : : : : :} 43 5.9 Filtrenesresponsmeden200Hzsagtannsomstykilde^{: : : : : : : : : : : : : : :} 45 5.10Sensorensresponsvedblandingavsagtannogsignal ^{: : : : : : : : : : : : : : : :} 46

vii

6.1 Diff1kretsen^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 48 6.2 ResponsenforDiff1kretsenved60kHz^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 49 6.3 Fasedreiningforetandreordenslavpasslterved1kHz^{: : : : : : : : : : : : : : :} 50 A.1IdsforenN{transistorisvakinversjon^{: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :} 54

viii

Kapittel1

Innledning

Arbeidetsomhardannetgrunnlagetfordenneoppgavenhardreidsegomannefremtilfotodetek- torerogltresomkanbrukesienlaveffektintegrertsensorforpulsetlys.Sensorenertenktbrukti TandbergsdatalagringsenhetforQICmagnetband,ogbyggerpaetprinsippbedriftenharpatentert [11].OppgavenoppstodsomresultatavetsammarbeidsprosjektmellomTandbergDataogInstitutt forInformatikkvedTorSverreLande.Ifrstefaseavarbeidetbledetlagtvektpannefremtilpassendefotodioderogfototransistorer forenstandardCMOSprosess.Enprosessmedmulighettilalagebeggetyperbipolaretransistorer blevalgtforafaundersktestmuligalternativefotodetektorerSammenmedfotodetektoreneble enheltenkelutgaveavsensorentestet.Denerikkeheltioverensstemmelsemedspesikasjonene ipatententen,mengrunnprinsippeterdetsamme.Iandrefasebleensensormeritradmedspesikasjoneneprvdut.Resultatetavarbeidetmed dennesensorenerprinsippetbakenviktigforbedringiforholdtildenopprinneligepatenten;enkor- rigeringavsensorensterskeliforholdtildettotalebelysningsnivaet.Hovedvektenlaimidlerdtidpa utviklingenavetfasekorrigerendeltersomskalholdesammefasesometandreordenslavpasslter.

Sensoreninneholdtogsaenkomparatormedhystereseognettverkforakorrigerehysteresen.

1.1 Inndelingenavoppgaven

BetegnelseneforMOSFETtransistorensterminaler,gate,sourceogdrainserjegpasomsainnar- beidetogsapanorskatdetharlitenhensiktaoversettedem.Avogtilblandesbetegnelsenemed norskeordsomstrmellerspenningforabeskriveetnettverkstilstand.Tilhengereavstrengsprak- rktvilkanskjefleavskyfordentypenordsammensetninger,menformegerdetennaturligdel avfagterminologien.

Kapittel2

bruksomrade,oghvilkeprinsippersomervalgtforaimtekommedissekravene.Dettekapitteletgirenlitenoversiktoverhvilkekravsomstillestilsensorenutfratiltenkt

Kapittel3

hvilkekravdetvilvrenaturligastilletilfotodetektorenidentypesensorsomerlaget.Idettekapitteletblirdeulikefotodetektorenebeskrevetogdetblirforklartlittnrmere

1

2 ^Kapittel1

Kapittel4

hvordandetharpavirketvalgetavltre.Malingeravltrenesresponsogegenskaperpresen-teresforabelyseltrenessterkeogsvakesider.Herbeskrivesltrenesomskalbrukesisensoren,hvilkekravltrenemaoppfylleog

Kapittel5

terese.Sistedelavkapitteletervietsensorenogtesteravdenneforabelysehvordandenklarersegmeduliketypersty.Idettekapitteletintroduseresdensistebyggestenenisensoren:enkomparatormedhys-

Kapittel6

hengigavlikfasedreiningforulikesignalveiersomsensorenbeskrevettidligereirapporten.Lsningeneblirsammenlignetforapekepafordelerogulemperdehariforholdtilhverandre.Dettekapitteletinneholderenbeskrivelseavenalternativlsning,somikkeersaav-

Kapittel7

sjon.Dettekapitteletinneholderenoppsummeringavarbeidetmedsensorenogenkonklu-

Kapittel2

Bakgrunn

2.1 Innledning

Etavproblemenevedkonstruksjonavsensorsystemerforpulsetellerstatisklyserknyttettilkom- ponenteneselektriskeogoptiskekarakteristikker.Spredningenilysutbyttefraforeksempellys- didoder(LED),erstoroglysutbyttetpavirkesogsaavtemperaturvariasjoner.Pamottakersidener detentilsvarendespredningsomgarpafotodetektorensevnetilakonverterelystilelektrisksig- nal.Forskyvningeravsenderogmottakeriforholdtilidealposisjonene,ogbrytningellerreeksjon somendrerlysetsbane,eretannetproblem.Lysfraomgivelsenekanogsapavirkesensorensfunk- sjon.Entenvedatoperasjonspunktetendres,ellervedatbakgrunnslysetblirforsterktiforholdtil signallyset.Summenavvariasjonenegjrdetndvendigajustereforsterkningellertersklerforafasyste- metsresponsinnenforgittespesikasjoner.Justeringenforetasientestsituasjonhvordetkanvre andrestyforholdennvednormaldrift.Detkanfretilatsystemetikkeoppfrersegsomforventet.

Vartmalerakonstruereenmottakersomikkeerflsomforvariasjonerisignalstyrkenellerlyssom blandersegmedsignalet.KretsenskalproduseresienstandardCMOSprosessoginneholdealle ndvendigekomponenter.

2.2 Adaptivsensorforpulsetlys

Medenadaptivsensormenerjegenmottakersomautomatisktilpassertersklerogreferansertil envarierendemengdebakgrunns-ogsignallysogikkeendrerfunksjonpagrunnavlavfrekvente variasjoneribakgrunnslyset.PerOlavPahrvedTandbergDataharpatentertensensoravdenne typen[11].Prinsippetfradennepatentensomdannergrunnlagetfordekretsenejeghararbeidet med.

2.2.1 Enmuligapplikasjon;lagringsenhetformagnetband

ForTandbergDataermotivetbakutviklingenavensensoravdennetypenbehovetforafornye deleravderesdatalagringsenheterforQIC-magnetband(

Q

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I

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C

assette).Istandardenfor dennetypenmagnetbanderdetvalgtetoptisksystemforadetekterebegynnelsenogsluttenav

3