Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
Удосконалено математичну модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного опромінення. Запропоновано нелінійну апроксимацію статичних характеристик транзисторної структури на основі НВЧ біполярного і польового транзисторів. Одержано співвідношення для інженерного розрахунку мікроелектронного ча...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2009
|
| Назва видання: | Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/32239 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання / О.В. Осадчук, А.О. Семенов, В.К. Задорожний // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. — 2009. — № 1 (17). — С. 187-192. — Бібліогр.: 4 назв. — укp. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-32239 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-322392012-04-15T12:30:28Z Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання Осадчук, О.В. Семенов, А.О. Задорожний, В.К. Оптичні та оптико-електронні сенсори і перетворювачі в системах керування та екологічного моніторингу Удосконалено математичну модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного опромінення. Запропоновано нелінійну апроксимацію статичних характеристик транзисторної структури на основі НВЧ біполярного і польового транзисторів. Одержано співвідношення для інженерного розрахунку мікроелектронного частотного сенсора оптичного опромінення. In this work the mathematical model of the frequency microwave sensor of optical radiation has been improved. The non-lineal approximation of static characteristics of the transistor structure, based on microwave field-effect and bipolar transistors, has been proposed. The equations for computation of the frequency microwave sensor of optical radiation have been obtained. 2009 Article Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання / О.В. Осадчук, А.О. Семенов, В.К. Задорожний // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. — 2009. — № 1 (17). — С. 187-192. — Бібліогр.: 4 назв. — укp. 1681-7893 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/32239 621.317 uk Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Оптичні та оптико-електронні сенсори і перетворювачі в системах керування та екологічного моніторингу Оптичні та оптико-електронні сенсори і перетворювачі в системах керування та екологічного моніторингу |
| spellingShingle |
Оптичні та оптико-електронні сенсори і перетворювачі в системах керування та екологічного моніторингу Оптичні та оптико-електронні сенсори і перетворювачі в системах керування та екологічного моніторингу Осадчук, О.В. Семенов, А.О. Задорожний, В.К. Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології |
| description |
Удосконалено математичну модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного опромінення. Запропоновано нелінійну апроксимацію статичних характеристик транзисторної структури на основі НВЧ біполярного і польового транзисторів. Одержано співвідношення для інженерного розрахунку мікроелектронного частотного сенсора оптичного опромінення. |
| format |
Article |
| author |
Осадчук, О.В. Семенов, А.О. Задорожний, В.К. |
| author_facet |
Осадчук, О.В. Семенов, А.О. Задорожний, В.К. |
| author_sort |
Осадчук, О.В. |
| title |
Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання |
| title_short |
Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання |
| title_full |
Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання |
| title_fullStr |
Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання |
| title_full_unstemmed |
Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання |
| title_sort |
математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Оптичні та оптико-електронні сенсори і перетворювачі в системах керування та екологічного моніторингу |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/32239 |
| citation_txt |
Математична модель мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання / О.В. Осадчук, А.О. Семенов, В.К. Задорожний // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. — 2009. — № 1 (17). — С. 187-192. — Бібліогр.: 4 назв. — укp. |
| series |
Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології |
| work_keys_str_mv |
AT osadčukov matematičnamodelʹmíkroelektronnogočastotnogosensoraoptičnogovipromínûvannâ AT semenovao matematičnamodelʹmíkroelektronnogočastotnogosensoraoptičnogovipromínûvannâ AT zadorožnijvk matematičnamodelʹmíkroelektronnogočastotnogosensoraoptičnogovipromínûvannâ |
| first_indexed |
2025-07-03T12:46:01Z |
| last_indexed |
2025-07-03T12:46:01Z |
| _version_ |
1836629897878962176 |
| fulltext |
5
УДК 621.317
О.В. ОСАДЧУК, А.О. СЕМЕНОВ, В.К. ЗАДОРОЖНИЙ
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ МІКРОЕЛЕКТРОННОГО
ЧАСТОТНОГО СЕНСОРА ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Вінницький національний технічний університет,
Хмельницьке шосе, 95, Вінниця, Україна,
тел.: +380 (432) 59-84-81,E-mail: Semenov79@ukr.net
Анотація. У роботі удосконалено математичну модель мікроелектронного
частотного сенсора оптичного опромінення. Запропоновано нелінійну
апроксимацію статичних характеристик транзисторної структури на основі
НВЧ біполярного і польового транзисторів. Отримані співвідношення для
інженерного розрахунку мікроелектронного частотного сенсора оптичного
опромінення.
Аннотация. В работе усовершенствована математическая модель
микроэлектронного частотного сенсора оптического излучения.
Предложена нелинейная аппроксимация статических характеристик
транзисторной структуры на основе СВЧ биполярного и полевого
транзисторов. Получены соотношения для инженерного расчёта
микроэлектронного частотного сенсора оптического излучения.
Abstract. In this work the mathematical model of the frequency microwave
sensor of optical radiation has been improved. The non-lineal approximation of
static characteristics of the transistor structure, based on microwave field-effect
and bipolar transistors, has been proposed. The equations for computation of the
frequency microwave sensor of optical radiation have been obtained.
Ключові слова: сенсор, нелінійна апроксимація, СВЧ биполярный и
полевой транзисторы.
ВСТУП
Подальший розвиток радіоелектроніки потребує удосконалення
перетворювачів оптичних сигналів в частотні, особливо в діапазоні
ультрависоких частот (УВЧ). Використання залежності реактивних
властивостей і від’ємного опору напівпровідникових пристроїв від впливу
оптичного випромінювання є одним з перспективних напрямків по
розробці оптичних частотних мікроелектронних перетворювачів. У
пристроях такого типу відбувається перетворення потужності оптичного
випромінювання в частоту, що дозволяє реалізувати перетворювачі за
інтегральною технологією і дає можливість підвищити завадостійкість,
О.В. ОСАДЧУК, А..О. СЕМЕНОВ, В.К. ЗАДОРОЖНИЙ, 2009
ПРИНЦИПОВІ КОНЦЕПЦІЇ ТА СТРУКТУРУВАННЯ РІЗНИХ РІВНІВ ОСВІТИ З ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНО-
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
6
точність і чутливість. При цьому, виникає актуальна наукова задача
розробки нових і удосконалення існуючих математичних моделей
мікроелектронних частотних сенсорів оптичного опромінення.
На сьогоднішній день розроблено квазілінійні моделі частотних сенсорів
оптичного випромінювання на основі транзисторних структур з від’ємним
опором [1,2]. Такі математичні моделі зручно використовувати для аналізу
існуючих частотних сенсорів оптичного випромінювання, проте для
вирішення задач синтезу вони є мало придатними.
Метою роботи є удосконалення математичної моделі мікроелектронного
частотного сенсора оптичного випромінювання і отримання аналітичних
співвідношень зручних як для задач синтезу, так і для задач аналізу таких
сенсорів на постійному і змінному струмах.
Досягнення поставленої мети у роботі здійснено за рахунок нелінійної
апроксимації статичних характеристик транзисторної структури з
від’ємним опором мікроелектронного частотного сенсора оптичного
випромінювання, електрична схема якого представлена на рис.1 [1].
Активний елемент мікроелектронного частотного сенсора оптичного
випромінювання побудований на серійних транзисторах КТ3123 (VT1) і
3П321 (VT2).
а) б)
Рис. 1. Електрична схема (а) і сімейство статичних характеристик (а) активного елементу
мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
Фоточутливим елементом є вузькосмуговий приймач – спеціальний
фотодіод VD1, що має середню дожину хвилі пропускання 3,31 мкм та
ширину смуги пропускання 150 нм (діапазон інфрачервоного
випромінювання). Сімейство статичних ВАХ транзисторної структури
мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
представлено на рис.1,а. На рис.2 представлено графіки залежностей
активної (2,а) і реактивної (2,б) складових повного опору активного
елементу мікроелектронного частотного сенсора оптичного
випромінювання при різних густинах потужності опромінення.
ПРИНЦИПОВІ КОНЦЕПЦІЇ ТА СТРУКТУРУВАННЯ РІЗНИХ РІВНІВ ОСВІТИ З ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНО-
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
7
а) б)
Рис. 2. Графіки залежностей активної (а) і реактивної (б) складових повного опору активного елементу
мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
Рис. 3. Еквівалентні схеми мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
На підставі еквівалентної схеми мікроелектронного частотного сенсора на
рис.3
( ) 1
,
VD
i
U h U
i
R
ν µ−
= (1)
з іншої сторони
( )( )1 .VD ЖИВU U h Uβ ν= − (2)
Тоді струм джерела живлення
( ) ( )( ) ( )[ ]1
.
VD VD ЖИВ VD ЖИВ
i i
U h U h U U h U
i
R R
ν µβ ν ν µβ µβ− − − −
= = (3)
Рівняння від’ємної диференційної провідності транзисторної структури
( )1 1
,
ДИФ
i
Ki
Y
u KR
µβ− +∆
= =
∆
(4)
ПРИНЦИПОВІ КОНЦЕПЦІЇ ТА СТРУКТУРУВАННЯ РІЗНИХ РІВНІВ ОСВІТИ З ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНО-
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
8
де
i
R - вихідний опір біполярного транзистора в схемі включення спільний
колектор, коефіцієнт ( ) 1.ЖИВ VDK U U hν= > Зі співвідношення (4) видно, що
введення додаткового джерела напруги ( )VDU hν збільшує величину
від'ємної диференційної провідності на величину .
i
KR
µβ
Експериментальні дослідження показали, що при розробці
мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
необхідно враховувати частотні властивості біполярного транзистора VT1.
Для дослідження стаціонарного режиму роботи УВЧ генераторного
перетворювача мікроелектронного частотного сенсора необхідно виконати
апроксимацію статичної ВАХ транзисторної структури. У роботі [3]
запропонована апроксимація активного елементу НВЧ генератора на
основі польової транзисторної структури з використанням функції
гіперболічного тангенсу, яка з урахуванням властивостей біполярного
транзистора набуде вигляду
( ) ( ) ( )
( )2
2
1
1 1 ,
Ж К К
Ж Ж S Ж К К Ж К К
e U U bU
I U g U U bU a U U U bU th
kT
+ + = + + + − − + (5)
де
( )
1 1
1
2 1
,
1
2
S
I g U
a
eU
U U th
kT
−
=
−
2
2
S
I
g
U
= , при
К
U const= ; значення I1, U1, I2 і U2 при
різних значеннях
К
U і густини потужності оптичного випромінювання
визначаються з рис.1,б.
Рівняння залежності диференційної провідності транзисторної структури
від напруги живлення має вигляд
( ) ( )( )
( )( )
( )( )
( )( )
~ 2
2
2
1
1 2
1
1 .
Ж К К
Ж Ж К К
Ж К К
Ж К К
e U U bU
G U gS a U U U bU th
kT
e U U bUe
U U U bU ch
kT kT
−
+ +
= − − − + ⋅ −
+ +
− − − +
(6)
На основі (5) рівняння першої гармоніки струму транзисторної структури в
залежності від амплітуди напруги генерованих коливань у реальному часі
( ) ( ) ( )
22 2 2
2 22 2
02
3
1 1 1 cos ...
4 3
К К
К К
Ж Ж
U eU U Uae e
i u bU gS a bU U U t
U kT kT kT U
ω
= + + − − + +
(7)
Амплітудне диференційне рівняння мікроелектронного частотного сенсора
ПРИНЦИПОВІ КОНЦЕПЦІЇ ТА СТРУКТУРУВАННЯ РІЗНИХ РІВНІВ ОСВІТИ З ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНО-
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
9
( ) ( )
22 2 3
3 32 2
3
3
1 1 1 1 .
4 3
К К
К К
Ж Ж
eU U U UdU ae e
T gS a R bU U R bU U
dT kT U kT kT U
= + − + − − +
(8)
Умова самозбудження УВЧ генераторного перетворювача
мікроелектронного частотного сенсора визначається співвідношенням
( )
2
2 1 1К
К
Ж
eU U
gS a R bU
kT U
+ + >
. (9)
Амплітуда стаціонарних коливань визначається рішенням рівняння (8)
( )
( )
2
2
2
2
2
2 1 1
1 3
К
Ж К
Ж
CT
К К
eU U
U gS a R bU
kT U
U
ae e
U bU U R
kT kT
+ + −
=
+ −
. (10)
Рівняння залежності амплітуди генерованих коливань у реальному часі
( ) ( ) ( )( ),12exp/1exp 22
00 −+= tUUtUtU CT γγ (11)
де ( )00 UU = - початкова амплітуда коливань генератора;
( )
2
2 1 1К
К
Ж
eU U
gS a R bU T
kT U
γ
= + + −
. (12)
На рис.4 представлена еквівалентна схема оптичного генераторного
перетворювача. Зміна величин параметрів еквівалентної схеми під дією
інфрачервоного випромінювання пояснюється змінами електрофізичних
параметрів фотодіода, таких як ширина забороненої зони Eg та зміна
концентрації в n- та p-областях, що призводить до зміни повного опору
схеми. Вхідною величиною фотоприймача є потік випромінювання, а не
окремі спектральні складові. У відповідності з [1-2] на основі
еквівалентної схеми на рис.4 отримана функція перетворення густини
потужності оптичного опромінення у частоту генерованих коливань
ПРИНЦИПОВІ КОНЦЕПЦІЇ ТА СТРУКТУРУВАННЯ РІЗНИХ РІВНІВ ОСВІТИ З ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНО-
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
10
Рис. 4. Еквівалентна схема мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
( ) ( )
( ) ( )
2 2 2
1 1 1
0 2 2
1
4
0.1125 ,
h d h d h
gd d h d h
B B L C R P С P
F
L C R P С P
ν ν ν
ν ν
+ +
= (13)
де ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2
1 1 .d h d h gd d h d h gdB R P С P C R P С P L Cν ν ν ν= + −
Рівняння чутливості мікроелектронного частотного сенсора оптичного
випромінювання
0 2 2
2 2 2
1
( ) ( ) ( )1
2 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( ) 2 ( ) ( )
8
( ) ( )1
( ) 2 2 ( ) ( ) 2
2
h
F d h d h d h
P d h d h d h d h gd d h d h
h h h
d h d h
gd d h d h d h d
h h
R P C P R P
S R P C P R P C P C R P C P
P P P
C P R P
C R P A R P C P R
P P
ν
ν ν ν
ν ν ν ν ν ν
ν ν ν
ν ν
ν ν ν
ν ν
∂ ∂ ∂
= + + + ∂ ∂ ∂
∂ ∂
+ + +
∂ ∂
2 2
1
2
1 2
( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
2 ( ) ( ) ( ) 8 ( ) ( )
( )
8 ( ) ( ) /
d h
h d h
h
d h d h d h
gd d h d h gd d h gd d h d h
h h h
d h
gd d h d h
h
C P
P C P
P
R P C P R P
C R P C P C R P L C R P C P
P P P
C P
L C R P C P A
P
ν
ν ν
ν
ν ν ν
ν ν ν ν ν
ν ν ν
ν
ν ν
ν
∂
+ ∂
∂ ∂ ∂
+ + + + ∂ ∂ ∂
∂
+ ∂
3
2 2
1 3 2
1
3
3
2 3 2 2
1 1
( )
2
/( ( ) ( ))
( ) ( )
( )
2
, (14)
( ) ( ) ( ) ( )
d h
gd d h d h
gd d h d h
d h
h
gd d h d h gd d h d h
R P
A
P
L C R P C P
L C R P C P
C P
A
P A
L C R P C P L C R P C P
ν
ν ν
ν ν
ν
ν
ν ν ν ν
π
∂
∂ − −
∂
∂ −
ПРИНЦИПОВІ КОНЦЕПЦІЇ ТА СТРУКТУРУВАННЯ РІЗНИХ РІВНІВ ОСВІТИ З ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНО-
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
11
де ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2
1 1
,
d h d h gd d h d h gd
A R P C P C R P C P L Cν ν ν ν= + + + − 2 2 2
2 1 14 ( ) ( ),
gd d h d h
A A L C R P C Pν ν= +
2 2 2
3 1 2( ) ( ) ( ) ( ) .
d h d h gd d h d h gd
A R P C P C R P C P L C Aν ν ν ν= + − +
На рис.5 представлено графіки теоретичних і експериментальних
досліджень зміни частоти генерованих коливань (рівняння перетворення
(13)) і функції чутливості (14) від густини потужності оптичного
опромінення, які отримані у роботі [4]. Висока збіжність теоретичних і
експериментальних залежностей на рис.1,б, рис.2 і рис.5 підтверджує
адекватність удосконаленої математичної моделі.
а) б)
Рис.5. Залежності частоти генерованих коливань (а) і чутливості (б) оптичного генераторного
перетворювача від густини потужності оптичного випромінювання
ВИСНОВКИ
У роботі удосконалено математичну модель мікроелектронного частотного
сенсора оптичного випромінювання. На основі нелінійної апроксимації
статичних характеристик транзисторної структури за допомогою функції
гіперболічного тангенсу отримано аналітичні співвідношення основних
параметрів оптичного генераторного перетворювача, які складають основу
аналізу мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання
як на постійному струмі, так і змінному струмах. Отримані аналітичні
співвідношення характеризуються простотою і зручністю та можуть бути
використанні для інженерного розрахунку під час проектування
мікроелектронного частотного сенсора оптичного випромінювання.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Осадчук В. С. Температурні та оптичні мікроелектронні частотні перетворювачі. Монографія / В. С.
Осадчук, О. В. Осадчук, В. Г. Вербицький. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2001. – 195 с.
2. Осадчук О. В. Мікроелектронні частотні перетворювачі на основі транзисторних структур з від’ємним
опором. Монографія / О. В. Осадчук. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2000. – 303 с.
3. Семенов А.О. Нелінійна апроксимація характеристик НЕМТ-транзисторної структури і дослідження
НВЧ генератора електричних коливань на її основі / А. О. Семенов // Вісник Хмельницького
національного університету. – 2006. – №2, Т.1. – С. 143–147.
4. Осадчук О. В. Вимірювальний пристрій з відкритим каналом для визначення концентрації метану на
основі оптичного генераторного перетворювача / О. В. Осадчук, А. П. Гурський, А. О. Семенов // Вісник
ПРИНЦИПОВІ КОНЦЕПЦІЇ ТА СТРУКТУРУВАННЯ РІЗНИХ РІВНІВ ОСВІТИ З ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНО-
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
12
Хмельницького національного університету. – 2007. – №2, Т.1(90). Технічні науки. – С. 221–225.
Надійшла до редакції 07.10.2008р.
ОСАДЧУК О. В. – д.т.н., професор, завідувач кафедри радіотехніки, Вінницький
національний технічний університет, м. Вінниця, Україна.
СЕМЕНОВ А. О. – к.т.н., старший викладач кафедра радіотехніки, Вінницький
національний технічний університет, м. Вінниця, Україна.
ЗАДОРОЖНИЙ В.К. – к.т.н., доцент, доцент кафедра телекомунікаційних систем і
телебачення, Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця, Україна.
|