a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim. http://www.osioptoelectronics.com/)



Samankaltaiset tiedostot
LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Petri Kärhä 04/02/04. Luento 2: Kohina mittauksissa

Elektroniikka, kierros 3

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

TASONSIIRTOJEN ja VAHVISTUKSEN SUUNNITTELU OPERAATIOVAHVISTINKYTKENNÖISSÄ

1. a) Piiri sisältää vain resistiivisiä komponentteja, joten jännitteenjaon tulos on riippumaton taajuudesta.

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS127. Jatkuva-aikaiset IC-suodattimet ja PLL-rakenteet

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Vanhoja tenttitehtäviä

Vahvistimet. Käytetään kvantisointi alue mahdollisimman tehokkaasti Ei anneta signaalin leikkautua. Mittaustekniikka

VASTUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Radioamatöörikurssi 2015

IIZE3010 Elektroniikan perusteet Harjoitustyö. Pasi Vähämartti, C1303, IST4SE

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

4. kierros. 1. Lähipäivä

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

Dynamiikan hallinta Lähde: Zölzer. Digital audio signal processing. Wiley & Sons, Zölzer (ed.) DAFX Digital Audio Effects. Wiley & Sons, 2002.

Radioamatöörikurssi 2017

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. 2 ov

521124S Anturit ja mittausmenetelmät (5 op/3 ov) Koe

V astaano ttav aa antennia m allinnetaan k u v an m u k aisella piirillä, jo ssa o n jänniteläh d e V sarjassa

Vcc. Vee. Von. Vip. Vop. Vin

Kotitentti 3. Operaatiovahvistin

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Radioastronomian käsitteitä

MITTAUSTEKNIIKAN ERIKOISTYÖ Bootstrap-vahvistin

Vastksen ja diodin virta-jännite-ominaiskäyrät sekä valodiodi

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

RADIOTEKNIIKKA 1 HARJOITUSTYÖ S-2009 (VERSIO2)

1 db Compression point

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

12. Stabiilisuus. Olkoon takaisinkytketyn vahvistimen vahvistus A F (s) :

A. SMD-kytkennän kokoaminen ja mittaaminen

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

Pinces AC/DC-virtapihdit ampèremetriques pour courant AC

2. kierros. 1. Lähipäivä

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

Pinces AC/DC-virtapihti ampèremetriques pour courant AC

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

VIM RM1 VAL / SKC VIBRATION MONITOR RMS-MITTAUSJÄRJESTELMÄLLE KÄSIKIRJA. VIM-RM1 FI.docx / BL 1(5)

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

IMPEDANSSIMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

7.4 Fotometria CCD kameralla

Anturit ja Arduino. ELEC-A4010 Sähköpaja Tomi Pulli Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Mittaustekniikka

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

IIZE3010 Elektroniikan perusteet Harjoitustyö 2

Oikeanlaisten virtapihtien valinta Aloita vastaamalla seuraaviin kysymyksiin löytääksesi oikeantyyppiset virtapihdit haluamaasi käyttökohteeseen.

EVTEK/ Antti Piironen & Pekka Valtonen 1/6 TM01S/ Elektroniikan komponentit ja järjestelmät Laboraatiot, Syksy 2003

Värähtelymittaus Tämän harjoituksen jälkeen:

MONITILAISET TIEDONSIIRTOMENETELMÄT TÄRKEIMPIEN ASIOIDEN KERTAUS A Tietoliikennetekniikka II Osa 18 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

Radioamatöörikurssi 2014

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

SMG-4450 Aurinkosähkö

Mittaustulosten tilastollinen käsittely

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

A/D-muuntimia. Flash ADC

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)

Analogiapiirit III. Tentti

Pinces AC-virtapihti ampèremetriques pour courant AC

MITTALAITTEIDEN OMINAISUUKSIA ja RAJOITUKSIA

Radioamatöörikurssi 2013

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

HARJOITUS 7 SEISOVAT AALLOT TAVOITE

CCD-kamerat ja kuvankäsittely

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

d) Jos edellä oleva pari vie 10 V:n signaalia 12 bitin siirtojärjestelmässä, niin aiheutuuko edellä olevissa tapauksissa virheitä?

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

järjestelmät Luento 8

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

TYÖ 58. VAIMENEVA VÄRÄHTELY, TASASUUNTAUS JA SUODATUS. Tehtävänä on vaimenevan värähtelyn, tasasuuntauksen ja suodatuksen tutkiminen oskilloskoopilla.

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

Anturit ja Arduino. ELEC-A4010 Sähköpaja Tomi Pulli Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Mittaustekniikka

Transkriptio:

a) C C p e n sn V out p d jn sh C j i n V out Käytetyt symbolit & vakiot: P = valoteho [W], λ = valodiodin ilmaisuvaste eli responsiviteetti [A/W] d = pimeävirta [A] B = kohinakaistanleveys [Hz] T = lämpötila [K] q = 1.6 10-19 C k B = 1.38 10-3 J/K Laskuissa oletettu lämpötilaksi T = 98 K. Tehtävänannon mukaisesti käytetty kohinakaistan-leveydelle arvoa B = 10 Hz. Valodiodin spekseistä saatu seuraavat parametriarvot: - Shunttivastus sh = 00 MΩ - Pimeävirta d = 00 pa - lmaisuvaste λ = 0.3 A/W Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim. http://www.osioptoelectronics.com/) Valodiodin raekohina sn = q( p d ) B, missä valovirta p = Pλ innakkaisresistanssin lämpökohinavirta Takaisinkytkentävastuksen lämpökohinavirta (1) Huomioidaan lisäksi operaatiovahvistimen kohinatermit (vahvistimen otossa): 4 k TB B jn = () sh 4 k TB B = (3) i B missä i n on valmistajan ilmoittama kohinavirrantiheys [A/Hz 1/ ]. (4) n = n sh n, e = i n, e B = en B, missä e n on kohinajännitetiheys [V/Hz 1/ ]. (5) sh Kohinajännite on muutettu kohinavirraksi jakamalla vahvistimen lähderesistanssilla, joka saadaan rinnankytkentänä sh. Koska eri kohinalähteet ovat toisistaan riippumattomia, saadaan kokonaiskohina niiden neliösummana: n, tot sn jn n n, e =. (6) 1/7

Signaalivirta puolestaan saadaan mitattavan valotehon ja valodiodin ilmaisuvasteen tulona: signal = P. (7) λ Joten signaali-kohinasuhteen lausekkeeksi tulee: SN = 0log signal n, tot = 0 log sn jn P λ n n, e. (8) b) Valitaan takaisinkytkentävastuksen arvoksi: Vmax Vmax 10 V = = = 3. GΩ, (9) P 0.3A/W 10 nw 3 p,max λ max missä valodiodin ilmaisuvaste λ = 0.3 A/W on saatu datalehdestä (aallonpituus 550 nm). db 100 70 SN OP497 SN OP07 40 SN OP7 SN LT108 10 0 0 1. 10 1 1. 10 11 1. 10 10 1. 10 9 1. 10 8 P [W] Laskuissa käytetyt kohinakomponentit eri opareille: Operaatiovahvistin i n [pa/hz 1/ ] e n [nv/hz 1/ ] LT108 4.7 1 OP07 0.3 10 OP7 1.7 3.5 OP497 0.0 17 /7

c) Signaali-kohinasuhde OP497 käyttäen valotehon ja takaisinkytkentävastuksen unktiona: SN OP497 SN OP497 Kuvista havaitaan, että takaisinkytkentävastuksen arvolla on merkitystä vain pienehköillä (< 100 MΩ) vastusarvoilla, jolloin ja ne ovat vallitsevia kohinalähteitä. (kts. seuraava sivu) Suurilla takaisinkytkentävastuksen arvoilla merkittävin kohinalähde on raekohina, joten SN kasvaa valotehon neliöjuureen verrannollisesti. Eli mikäli käytetään suhteellisen pieniä takaisinkytkentävastuksen arvoja, kannattaa kiinnittää erityistä huomiota operaatiovahvistimen jännitekohinaan. (Myös shunttivastuksen arvo vaikuttaa, kts. ensimmäisen sivun kaavat). Suuremmilla takaisinkytkentävastuksen arvoilla oparin virtakohinalla on merkittävämpi vaikutus. Tai toisin: kannattaa käyttää suurta takaisinkytkentävastusta, jolloin signaali kasvaa siihen suoraan verrannollisesti, kun taas terminen kohina ja oparin jännitekohinan vaikutus pienenevät... (Huom! Muilla tarkastelussa olleilla operaatiovahvistimilla vahvistimen virtakohina n on rajoittava tekijä koko mittausalueella ja kaikilla käytännöllisillä takaisinkytkentävastuksen arvoilla). 3/7

Piirretään ensin eri (virta)kohinatermit [A] optisen tehon [W] untiona, kun = 3.3 GOhm: 1. 10 1 sn ( P opt ) jn 1.10 13 nop497 ( 3 10 9 ) ( ) neop497 3 10 9 1. 10 14 1.10 15 1. 10 16 0. 10 9 4. 10 9 6. 10 9 8. 10 9 1. 10 8 P opt Sama vertailu valotehon maksimiarvolla 10 nw ja :n unktiona: 1. 10 10 sn ( 10 8 ) jn 1. 10 11 1. 10 1 nop497 ( ) ( ) 1. 10 13 1. 10 14 neop497 1. 10 15 1. 10 16 1. 10 3 1. 10 4 1. 10 5 1. 10 6 1. 10 7 1. 10 8 1. 10 9 4/7

Muuta: Operaatiovahvistimen epäideaalisuuksien vaikutus: Käytännössä operaatiovahvistimen sisäänmenoimpedanssi on äärellinen (esim. OP497:lle incm ~ 500 GΩ). Tästä aiheutuu bias-virta bias, jonka suuruus riippuu operaatiovahvistintyypistä. Operaatiovahvistimen kumpikin sisäänmeno siis imee (tai antaa ulos) virtaa bias verran. Esimerkiksi valmistusteknisistä syistä johtuen sisäänmenojen välillä on myös epäsymmetriaa, joten sisäänmenojen bias-virrat eivät ole täysin yhtä suuret; erotusta kutsutaan oset-virraksi ( oset = bias - bias- ). BJT-operaatiovahvistimien bias-virrat ovat tyypillisesti suuruusluokkaa kymmeniä nanoampeereja, FET-operaatiovahvistimilla taas kymmeniä pikoampeereja. (Löytyy myös operaatiovahvistimia, joilla bias-virrat ovat reilusti alle pikoampeerin. Esimerkkinä OPA18, jolle valmistaja ilmoittaa maksimi bias-virraksi 75 A). Tehtävässä käsitellyn virta-jännitemuuntimen tapauksessa operaatiovahvistimen bias-virta summautuu mitattavaan valovirtaan, mistä aiheutuu oset-virhettä vahvistimen ulostulojännitteeseen. Mitattaessa pieniä valotehoja tämä vaikutus voi olla hyvinkin merkittävä. Esimerkiksi pienimmällä tehtävänannon valoteholla (1 pw) saatava valovirta on n. 0.3 pa. Operaatiovahvistimelle OP497 tyypillinen bias-virta on puolestaan huomattavasti suurempi, noin 60 pa. Bias-virran vaikutusta koko mittausalueella ( P = 1 pw...10 nw) on havainnollistettu alla olevassa kuvassa ( tot = signal bias ). 1.10 8 1.10 9 tot [A] 1.10 10 1.10 11 1.10 1 1.10 11 1.10 10 1.10 9 1.10 8 P [W] Toisinaan bias-virtaa pyritään kompensoimaan kytkemällä vastus operaatiovahvistimen positiivisen sisäänmenonavan ja maatason välille (yleisesti käytetty tapa monissa oparikytkennöissä). Tästä tosin aiheutuu pieni jännite valodiodin yli, mikä puolestaan johtaa pimeävirran kasvuun (kts. seuraava sivu, shunttivastuksen vaikutus). 5/7

Shunttivastuksen vaikutus: Valodiodin shunttivastuksella on pieniä valotehoja mitattaessa merkittävä vaikutus mittauksen kohinaominaisuuksiin. Esim. pimeävirta ja operaatiovahvistimen jännitekohinan vaikutus riippuvat shunttivastuksen suuruudesta. Operaatiovahvistimen jännitekohina e n skaalautuu vahvistimen ulostuloon kertoimella 1 / sh, kts. kaava 5. Kohinan minimoimiseksi shunttivastuksen tulisi olla mahdollisimman suuri. (Pimeävirralla tarkoitetaan valodiodin läpi kulkevaa virtaa silloin kun diodi on pimennetty ja kun diodin yli on kytketty pieni vastakkaissuuntainen jännite. Käytännössä shunttivastus määritellään valodiodin ominaiskäyrän kulmakertoimena nollajännitteen ympäristössä, kts. kuva alla. Valmistajien ilmoittamat shunttivastusten arvot on saatu mittaamalla pimeävirran suuruus -10 mv jännitebiasoinnilla. Lisää tietoa esim. http://sales.hamamatsu.com). tse signaaliin shunttivastuksella ei sen sijaan ole niinkään merkitystä. Tämä siksi, että virtajännitemuuntimen ideana on syöttää signaalivirtaa (l. valovirtaa) virtuaaliseen maapisteeseen. Eli virtajännitemuuntimella mitataan olennaisesti valodiodin oikosulkuvirtaa. Käytännössä tilanne ei toki ole aivan ideaalinen, eli signaalivirran näkemä kuormaresistanssi L ei ole nolla, vaan L = / A o. Jos tarkastellaan tämän tehtävän esimerkkitapausta, on takaisinkytkentävastus = 3.3 GΩ ja OP497:n avoimen lenkin vahvistus A o = 10 6. Tällöin kuormaresistanssiksi saadaan L ~ 1.7 kω, mikä on selvästi pienempi kuin valodiodin shunttivastus sh = 00 MΩ. Toisin sanoen, lähes kaikki signaalivirta saadaan virtajännitemuuntimelle... Virta-jännitemuunninta käyttäen saadaan jännite valodiodin yli pidettyä nollassa, eli mitataan oikosulkuvirtaa sc. Oikosulkuvirta kasvaa lineaarisesti valotehon unktiona. Kuvan lähde: http://sales.hamamatsu.com --> support --> application notes 6/7

Kytkennän taajuusvaste: Signaalin kaistaa rajoittavat takaisinkytkentävastus ja kapasitanssi, eli -3dB = 1/(π C ). Kohinalle tilanne on hieman toisenlainen. Erityisesti suurilla liitoskapasitanssin C j arvoilla ongelmaksi voi muodostua ns. gain peaking -eekti, joka voi johtaa siihen että piiri alkaa soimaan suhteellisen korkealla taajuudella. Tämä epästabiilius aiheutuu siis liitoskapasitanssin ja takaisinkytkentävastuksen yhteisvaikutuksesta (ylimääräinen napa takaisinkytkentälenkkiin). Tilannetta on havainnollistettu alla olevassa kuvassa. A Avoimen silmukan vahvistus 1 =1/π( sh )(C j C ) =1/π C 3 = c (C /C j ) e n :n vahvistus 1C j /C 1 / sh 1 3 Gain peaking eektiä voidaan vaimentaa kasvattamalla takaisinkytkentäkondensaattorin C arvoa. Tämä toki kaventaa myös signaalikaistaa. DC-mittauksissa gain peaking -ongelmaa ei yleensä synny, sillä kaistaa voidaan yleensä huoletta rajoittaa.. Lisää tietoa ilmiöstä sekä kaistanleveyden ja vahvistuksen optimoinnista löytyy mm. monista Texas nstrumentsin (Burr-Brown) datalehdistä & sovellusohjeista (Application notes). 7/7