Celoten projekt, ki obsega magistrsko nalogo, je bil podprt in ustvarjen znotraj podjetja Renishaw d.o.o. Slovenija. Podjetje je del skupine Renishaw Group, ki je eno vodilnih svetovnih inženirskih in znanstvenih tehnoloških podjetij, s strokovnim znanjem na področju natančnih meritev in zdravstva. Renishaw d.o.o je osredotočen na načrtovanje namenskih integriranih vezij za specifične aplikacije (application specific integrated circuit -ASIC). CMOS foto-diode oz. t.j svetlobni senzorji.
Po vsaki izdelavi novega slikovnega senzorja je potrebno preveriti, ali senzor deluje tako, kot je bil načrtovan. Fizično merjenje parametrov je obvezen postopek preden se tovrstni senzorji vgradijo v nove aplikacije. Obstaja veliko parametrov, ki določajo kakovost prenosne funkcije svetlobnega senzorja oz. t.j namenskega polja foto-diod. Naloga zajema podroben opis izvorov šuma v trans impedančnem merilnem sistemu, ki je namenjen merjenju toka foto-diod.
Z namenom, da bi lahko pomerili karakteristiko foto-diod izdelanih v različni topologijah podjetja Renishaw d.o.o smo najprej izdelali elektronsko vezje, ki je v osnovi sestavljen iz šestnajstih kanalov trans-impedančnega operacijskega ojačevalnika. Naloga zajema podroben opis izvorov šuma v trans impedančnem sistemu, ki je namenjen merjenju toka foto-diod. Vezja, namenjena merjenju nizkih tokov predstavljano poseben analogni načrtovalski izziv.
Glavni del naloge je poznavanje izvorov napak in šumov v sistemu ter poznavanje njihovih prispevkov na izhodu. S tem namenom smo podrobneje obravnavali šume v vseh elementih. Najprej smo obravnavali foto-diodo in šume ki so prisotni v p-n spoju. Termični šum je temperaturno odvisen in se veča z višanjem temperature. Odvisen je tudi od velikosti upora. Večji upor kot imamo, večji je termični šum. Ni pa odvisen od toka, ki teče skozi upor. Eden izmed šumov v foto diodi je tudi šum hrupa (shot noise). Izvira iz diskretne narave električnega naboja. 1/f šum, je frekvenčno odvisen in je prisoten v vseh elektronskih napravah/elementih. Določen prispevek negotovosti k izhodni meritvi prinese tudi temni tok foto-diode, ki je temperaturno odvisen. Z računom smo pokazali, da se temni tok na vsakih 6K podvoji.
Obravnava šumov operacijskega ojačevalnika zahteva svoje podpoglavje. Najprej smo obravnavali neidealnosti operacijskega ojačevalnika. To sta vhodni tok operacijskega ojačevalnika in vhodna ničelna napetost, ki ju pri merjenju nizkih tokov, ne smemo zanemarit. Neidealnosti operacijskega ojačevalnika prinesejo sistemsko napako na izhod.
Frekvenčna analiza vezja prinese pomembne ugotovitve k razumevanju celotnega vezja. Zavedati se moramo, da so izvori vseh šumov v sistemu frekvenčno odvisni. Mejno frekvenco, do kje bodo šumi ojačani določimo s kondenzatorjem in upornikom, ki sta vezana v povratno vezavo. S povratnim upornikom določamo ojačanje vhodnega signala. Izbira kondenzatorja v povratni vezavi je zelo pomembna saj z njim zagotovimo tudi stabilnost sistema, ki je poleg povratnega kondenzatorja odvisna tudi od kapacitivnosti bremena. Pomembna ugotovitev je ta, da z večanjem povratnega kondenzatorja manjšamo pasovno širino sistema in s tem večamo razmerje med signalom in šumom.
Podrobneje smo obravnavali tudi šume operacijskega ojačevalnika in njihov prispevek na izhodu ojačevalnika. Kolikšen prispevek napake zaradi določenega šuma je pogojen s prenosna funkcija in šumno pasovno širino.
Obravnavamo tudi termični šum povratnega upornika in napako, ki jo prinese toleranca. Povratni upornik Rf je 10Mohm, njegova toleranca pa znaša 1%. Na koncu drugega poglavja so računi, kjer je izračunano razmerje med signalom in šumom (SnR). Nato sledi še obravnava merilne naprave s katero merimo izhodno napetost. Pomembno je poznavanje ločljivosti sistema s katerim opazujemo merjen signal in poznavanje njegove vhodne impedance.
Po dobro analiziranem sistemu smo izbrali ustrezne elemente, ki sestavljajo tiskano vezje. Pri konstrukciji tiskanine smo se veliko časa ukvarjali s samo geometrijo in postavitvami šestnajstih kanalov. Pomembno je, da so povezave med foto-diodo in vhodom v operacijski ojačevalnik čim krajše, hkrati pa tudi enako dolge za vseh šestnajst kanalov. Pomembno je tudi, da se te povezave, ki predstavljajo visoko impedanco zaščiti pred morebitnimi motnjami in tokom uhajanja, ki se generira na površini ploščice. Da bi preprečili vpliv zunanjih motenj smo izdelali tudi kovinsko ploščico, v kateri je tiskano vezjem med izvajanjem meritev.
Da bi preverili delovanje ploščice smo izdelali merilni sistem, ki meri odziv foto-diod na stopničast signal. Pomemben del izgradnje eksperimenta je sama zasnova postavitve. Pomembno vlogo ima tudi izgradnja optičnega sistema saj želimo čim ostrejši prehod svetlobe iz temnega območja na svetlo. Merilni sistem smo avtomatizirali do te mere, da sistem sam zajema podatke medtem ko se svetlobni rob s korakom 1um premika po površini foto-diod.
Izdelano ploščico smo uporabili tudi pri merjenju temnega toka. Eksperiment je sestavljen tako, da je čip s foto-diodami med meritvijo v temperaturni komori. Temperaturo spreminjamo od 25°C do 125°C. Pri ustaljeni temperaturi zajamem pet meritev in jih nato povprečimo. V zaključku pa so predstavljeni napotki, ki jih priporočamo pri nadaljnjih raziskavah.
|
