Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Шумы магниторезисторов






    На практике, при проектировании прецизионных магнитометрических систем, в основу действия которых положен эффект магнитосопротивления, крайне важно учитывать и по возможности минимизировать всегда присутствующие собственные шумы магниторезистора, природа происхождения которых достаточно сложна и неоднозначна.

    Принято считать, что собственные шумы магниторезисторов являются случайными величинами, и обычно количественно характеризуются средней мощностью (энергией) шума и спектральной мощностью шума; фазы частотных компонентов шума случайны. Для магниторезисторов, как правило, характерны три основных вида шумов: тепловые, дробовые и токовые (избыточные) шумы со спектром 1/ f – так называемые шумы Монтгомери.

    Причем, последние из перечисленных являются наиболее существенными. Их происхождение, по мнению Ван дер Зила, связано с медленными колебаниями концентрации примесей на поверхности полупроводника. Спектральная плотность мощности шума Монтгомери дается выражением (4.25).

     

    (4.25)

     

    где D (In) и D 1(In) – функции, отличающиеся множителем 2π и характеризующие зависимость интенсивности шума от
    тока магниторезистора; ω =2π f – круговая частота;
    n = 1–1.5 – показатель степени.

    Как отмечается в литературе, амплитуда «1/ f»шума обычно превышает амплитуды тепловых и дробовых шумов на
    3-4 порядка, и, следовательно, шум Монтгомери является основным, в области низких частот.

    Среднеквадратичное значение ЭДС шума Монтгомери в полосе частот [ f 1f 2] можно записать в виде:

     

    приняв n =1, получим

     

    (4.26)

     

    где D = b I 2; b – коэффициент пропорциональности; I – рабочий ток питания магниторезистора.

    Тепловые шумы являются следствием флуктуации скоростей носителей тока в полупроводниковом материале. Их спектральная плотность на активном сопротивлении R постоянна в весьма широком диапазоне частот:

     

    FT (ω) = 4 kTR,

     

    где k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

    Среднеквадратичное значение ЭДС теплового шума магниторезистора определяется из соотношения (4.28).

     

    (4.27)

     

    Среднеквадратичное значение ЭДС дробового шума магниторезистора, связанного с флуктуациями концентраций носителей тока для собственного полупроводника при f < 0.5π τ эфф определяется выражением (4.28).

     

    (4.28)

     

    где U п= I п R – напряжение питания; τ эфф – эффективное время жизни носителей тока; n – концентрация носителей в единице объема полупроводникового материала; V – объем магниторезистивного элемента.

    Спектральная интенсивность дробового шума F др постоянна в широком диапазоне частот. При достаточной толщине полупроводниковой пластины на частотах f > 1 КГц дробовые шумы становятся выше токовых.

    Значение шумов резко возрастает при использовании высокоомных полупроводниковых материалов. У таких материалов носители тока обычно имеют малую подвижность. Частотная зависимость эффекта Гаусса определяется временем, которое как для малых, так и для больших подвижностей носителей тока составляет 10-13–10-11 с.

    Если магнитное поле переменное, то изменение сопротивления может зависеть от частоты, и тем больше, чем выше электропроводность материала и магнитная проницаемость среды в которой он находится. Объясняется это тем, что вследствие частоты внешнего магнитного поля, значимо отличной от нуля, в магниторезисторе наводятся вихревые токи, а магнитные поля этих токов взаимодействуют с измеряемым магнитным полем и вносят известные искажения. Более всего это заметно, когда вторичные поля проходят в среде с большой магнитной проницаемостью, т. е. когда магниторезистор находится в узком зазоре магнитопровода или на ферритовой подложке. Анализ показывает, что вихревые токи вносят амплитудные и фазочастотные искажения лишь при наличии переменного магнитного поля, действующего на магниторезистор с постоянным током питания, если он находится в тесном контакте с магнитопроводом.

    Итак, полагая, что величина сигнала, снимаемого с магниторезистора, прямо пропорциональна произведению силы тока, проходящего через этот магниторезистор, на величину магнитной индукции измеряемого магнитного поля:

     

    U вых= IB C,

    где C – коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы включения магниторезистора и его чувствительности;

    и допуская, что тепловой шум не коррелирован с током питания, а активная составляющая импеданса магниторезистора RB входит в шумовое сопротивление усилителя:

     

    Rш = R ш+ R B,

     

    где R ш – шумовое сопротивление усилителя;

    можно найти отношение сигнала к шуму по мощности на выходе усилителя:

     

    (4.29)

     

    где L = C 2/ R вх – постоянная; b – коэффициент пропорциональности.

    Из выражения (4.29) следует, что для повышения отношения сигнала к шуму на выходе усилителя при заданном минимальном значении магнитной индукции необходимо сужать рабочую полосу частот Δ f и учитывать ток питания магниторезистора.

    Допустимая мощность рассеяния ставит предел постоянному току питания магниторезистора:

     

    PT = I 2· RB.

     

    Повысить ток можно при импульсном режиме питания, оставляя среднюю мощность при этом неизменной:

     

    (4.30)

     

    где T – период следования импульсов тока; τ – длительность импульсов тока.

    При условии, что постоянная составляющая сигнала, снимаемого с магниторезистора, усилителем не воспроизводится, можно записать:

     

    f 1=1/ T.

     

    Верхняя граничная частота для прямоугольного импульса может быть принята как:

     

    f 1=1/τ.

     

    Тогда, из выражений (4.29) и (4.30) получим:

     

    (4.31)

     

    Очевидно, что с увеличением τ знаменатель монотонно уменьшается, что свидетельствует об отсутствии оптимального с точки зрения энергетического отношения сигнала к шуму режима импульсного питания.

    Анализируя выражение (4.31) можно сделать вывод, что режим питания синусоидальными токами является более выгодным при использовании для усиления сигнала электронных систем узкополосного усилителя с минимальной полосой пропускания.






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.