Детекторы излучения. Физические основы и принцип действия

Детекторы акустического излучения

Акустоэлектрический преобразователь (Детектор акустического излучения) - это устройство, преобразующее акустическую энергию (т. е энергию упругих волн в воздушной среде) в электромагнитную энергию в схемах тех устройств, в которых находятся акустоэлектрические преобразователи(или наоборот, энергию электромагнитных волн в акустическую). Наиболее известны такие электроакустические преобразователи как системы звукового вещания, телефоны, из акустоэлектрических - микрофоны. Следует учитывать, что в большинстве электроакустических преобразователей имеет место двойное преобразование энергии - электромеханическое, в результате которого электрическая энергия, подводимая к преобразователю переходит в энергию колебаний механической системы (например, диффузор динамика), колебание которой и создает в среде звуковое поле.[1]

Введение

Каналы утечки информации, возникающие за счет наличия преобразовательных акустоэлектрических элементов в цепях различных технических устройств, находящихся в выделенном помещении, опасны тем что они сопутствуют работе этих устройств в их нормальных режимах работы и злоумышленник может воспользоваться ими без проникновения в помещение (или охраняемую зону), без установки специальных подслушивающих устройств. Хорошо известны способы получения информации об акустике помещения за счет подсоединения к линиям телефонных аппаратов(особенно в случаях, когда в помещении расположены аппараты с электромеханическими вызывными звонками), линиями диспетчерской или охранной сигнализации и т.п. Подобные каналы утечки информации могут возникнуть на основе акустоэлектрических преобразователей.

Виды акустоэлектрических преобразователей

Наиболее распространенные акустоэлектрические преобразователи линейны, т.е. удовлетворяют требованиям неискаженной передачи сигнала и обратимы, т.е. могут работать и как излучатель и как приемник и подчиняются принципу взаимности. В большинстве случаев при электроакустическом преобразовании преобладает преобразование в механическую энергию либо электрического, либо магнитного полей (и обратно - преобразования акустической энергии в электрическую, либо магнитную). В соответствии с этим обратимые акустоэлектрические преобразователи могут быть представлены следующими группами:

Индуктивные генераторные

где - ЭДС сигнала
- число витков
- магнитный поток

Электромагнитные

где - коэффициент связи
- площадь якоря
- зазор между сердечником и якорем
- индукция в зазоре
- сечение магнитного провода
- индуктивность катушки

Магнитострикционные

- магнитострикционный модуль

Электродинамические

магнитный поток изменяется за счет перемещения проводников

, если , то

- индукция магнитного поля
- длина проводника
- скорость перемещения проводника под действием давления

Причины возникновения каналов утечки информации

Проявление акустопреобразовательных каналов утечки информации в большинстве случаев не связано с качеством исполнения механизма прибора, а является сопутствующим его деятельности по предназначению, т.е. их подавление в ряде случаев не может быть проведено путем более качественного исполнения или настройки механизмов. В ряде случаев они возникают за счет взаимности действия элемента, заложенного в его конструкцию (динамики), в других случаях за счет некачественности исполнения элементов (рыхлая намотка индуктивностей, изменение расстояния между обкладками конденсатора под действием механических волн) и т.п.;

См. также

Пьезоэлектрические генераторы

Пьезоэлектрический генератор - пьезоэлектрический преобразователь, содержащий изготовленные из пьезоэлектрика отдельные или объединенные в группы, электрически и механические связанные друг с другом пьезоэлементы (стержни, пластинки, диски), на поверхности которых нанесены электроды. Такой пьезоэлектрический генератор способен вырабатывать электрический ток только при механическом воздействии на его пьезоэлементы.[2]


ЭДС пьезоэлектрического генератора

где - пьезомодуль
- емкость


Емкостные параметрические конденсаторы

  • электродинамические преобразователи, действие которых основано на электродинамическом эффекте. электродинамическими называют индукционные системы, электрический контур которых перемещается в магнитном поле, порожденном внешним по отношению к контуру источником МДС(таким источником может служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы). Величина ЭДС перемещения, наводимая в электродинамических системах при перемещении контура (провода).
  • электромагнитные преобразователи

У этих систем, в отличии от электродинамических, электрическая часть является неподвижным контуром. Так же, как у электродинамических систем, внешним источником МДС могут служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы.

Принцип действия

Действие подобных преобразователей основано на колебании ферромагнитного сердечника в переменном магнитном поле или изменении магнитного потока при движении сердечника.

  • электростатические, действие которых основано на изменении силы притяжения обкладок конденсатора при изменении напряжения на нем и на изменении положения обкладок конденсатора относительно друг друга под действием, например, акустических волн.
  • пьезоэлектрические основаны на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте. К пьезоэлектрическим относятся кристаллические вещества и специальные керамики, в которых при сжатии и растяжении в определенных направлениях возникает электрическое напряжение. Это так называемый прямой пьезоэффект, при обратном пьезоэффекте появляются механические деформации под действием электрического поля.
  • магнитострикционные(механнострикционные) преобразователи использующие прямой и обратный эффект магнитострикции.

Магнитострикция

Магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании - вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро - и ферритомагнетиках, в которых взаимодействие частиц особенно велико.

В магнитострикционном преобразователе используется линейная магнитострикция ферромагнетиков в области технического намагничивания. Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов с нанесенной на него обмоткой (такие конструкции используются в фильтрах, резонаторах и других устройствах акустоэлектроники). В подобном преобразователе энергия переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике протекающем по обмотке переменным электрическим током, преобразуется в энергию механических колебаний сердечника или наоборот, энергия механических колебаний, наведенная, например, акустическим сигналом, воздействующим на сердечник преобразуется в энергию магнитного поля наводящего переменную ЭДС в обмотке.

  • к особому классу акустоэлектрических преобразователей относятся необратимые приемники звука, принцип действия которых основан на применении электрического сопротивления чувствительного элемента под действием звукового давления. Например, угольный микрофон или полупроводниковые приемники, в которых используется так называемый тензорезистивный эффект - зависимость сопротивления полупроводниковых приборов от механических напряжений.

Таким образом, наряду со специально созданными для преобразования акустических сигналов в электрические так называемых приемников звука (например, в воздухе - микрофоны, в воде - гидрофоны, в грунте - геофоны) существуют "паразитные", не предусмотренные идеей прибора акустоэлектрические преобразователи. Проявление акустопреобразовательных каналов утечки информации в большинстве случаев не связано с качеством исполнения механизма прибора, а является сопутствующим его деятельности по предназначению, т.е. их подавление в ряде случаев не может быть проведено путем более качественного исполнения или настройки механизмов. В ряде случаев они возникают за счет взаимности действия элемента, заложенного в его конструкцию (динамики), в других случаях за счет некачественности исполнения элементов (рыхлая намотка индуктивностей, изменение расстояния между обкладками конденсатора под действием механических волн) и т.п.; По своей природе электроакустические преобразователи часто сравнивают с микрофонным эффектом.

Микрофонный эффект

Микрофонный эффект - появление в цепях радиоэлектронной аппаратуры посторонних (паразитных) электрических сигналов, обусловленных механическими воздействиями (звуком, сотрясениями, вибрациями и т.п.). Свое название микрофонный эффект получил по аналогии с соответствующими процессами, происходящими в микрофоне. Наиболее сильно микрофонный эффект проявляется при работе электронных приборов (в усилителях электрических колебаний звуковых частот, супергетеродинных приемниках и т.п.

См. также

Микрофон

Микрофон - устройство преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы. Для перехвата акустической воздушной волны наиболее широко используются микрофоны.[3]


Общие положения

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

Классификация

Микрофоны могут быть классифицированы по различным признакам:

  • по принципу преобразования акустических (звуковых волн) в электрические;
  • по способу воздействия звуковых волн на диафрагму микрофона,
  • по конструкторскому исполнению;
  • по признакам характеристики направленности;
  • по электрическим параметрам и т.п.

По признаку преобразования акустических колебаний

  1. Электродинамические
  2. Электромагнитные
  3. Электростатические
  4. Угольные
  5. Пьезоэлектрические
  6. Полупроводниковые

По признаку приема звуковых колебаний

  1. приемники звукового давления, действующего на диафрагму;
  2. приемники градиента давления, реагирующего на разность звуковых давлений, действующих на обе стороны диафрагмы;
  3. приемники комбинированного типа, сочетающие свойства приемников звукового давления и градиента давления;

Схемы приема акустических волн микрофоном-приемником

  • Звукового давления;
  • микрофон-приемник градиента звукового давления.

В микрофонах-приемниках давления, давление звукового поля действует только на одну сторону диафрагмы, другая сторона конструктивно защищена от этого воздействия. В микрофонах-приемниках градиента давления разность давлений поля воздействует на обе стороны диафрагмы.

Микрофонами-приемниками градиента давления являются ленточные микрофоны(рис.1д). В зазоре между полюсными наконечниками 2, постоянного магнита 4 подвешена лента из алюминиевой фольги I толщиной 3 - 4 мкм. Частота собственных колебаний ленты 15-20 Гц. Такие микрофоны имеют чувствительность 1 - 2 мВ/Па и обеспечивают передачу широкого диапазона частот.

По воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона

Различие по воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона определяет и разные виды характеристик направленности микрофона. Зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука изображается обычно графически в полярных координатах.

По этому признаку микрофоны подразделяются на пять типов:

  • ненаправленные (с круговой диаграммой)
  • двусторонне направленная ("восьмерка")
  • односторонне остронаправленные (суперкардиоида и гиперкардиоида) - 3г и Зд.

Направленность микрофона характеризует отношение чувствительности микрофона к осевой чувствительности.

Микрофон ненаправленного действия обладает постоянной чувствительностью независимо от направления, по которому проходят звуковые волны. Рабочее пространство такого микрофона - сфера. Следует, однако, отметить, что на частотах, где длина волны становится соизмеримой с размерами микрофона начинает сказываться экранирующее действие корпуса микрофона. Поэтому, начиная с частот 1000 - 2000 Гц у микрофона появляется заметная направленность, а на частотах 10-15 кГц она становится весьма значительной.

Двусторонне направленные микрофоны имеют одинаковую чувствительность с фронтальной и тыльной сторон диафрагмы, чувствительность их в поперечном направлении равна нулю. Подобная характеристика сохраняется как для нижних, так и для высоких частот.

Односторонне направленные микрофоны чувствительны к звуковым волнам, приходящим со стороны максимальной направленности микрофона. Для получения остронаправленной характеристики микрофона используют различные конструкции микрофона - с интерференционным элементом или параболическим рефлектором, плоская фазированная решетка или градиентный микрофон. Микрофоны также классифицируются по требованиям эксплуатации, стойкости их к климатическим и механическим воздействиям (эксплуатация на открытом воздухе, в закрытых помещениях, под навесом, в помещениях с повышенной влажностью и т.п.). Одним из основных параметров микрофона являются осевая чувствительность микрофона, расположенного в свободном поле при распространении синусоидальной звуковой волны в направлении акустической оси микрофона.


Ее определяют по формуле:

,
где - напряжение на входе микрофона;
- звуковое давление.


Чувствительность микрофона по диффузному полю определяется зависимостью:

где - звуковое давление в точке до размещения в ней микрофона.


При этом под свободным полем мы понимаем такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а отраженные звуковые волны отсутствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь. Диффузное поле - это такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии и в котором по всем направлениям распространяются одинаковые потоки звуковой энергии. Стандартный уровень чувствительности (дБ) определяется по формуле;

где - напряжение, развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки Rном при звуковом давлении 1Па;
- мощность электрического сигнала микрофона при давлении 1Па.


Уровень собственного шума микрофона (дБ) определяется по формуле:

где - эффективное значение напряжения, обусловленного флюктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами схемы микрофона;
- напряжение при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным действием 0,1 н/м2. Характеристика направленности микрофона может быть представлена уравнением улитки


Паскаля:

где - отношение чувствительности микрофона (под углом 0 к его оси) к осевой чувствительности ;
- отношение чувствительности приемника к градиенту давления, определяющее форму характеристики направленности.

Выходное напряжение

В зависимости от действующей на диафрагму микрофона результирующей силы звукового давления F величина выходного напряжения микрофона определяется величиной:

  • для угольного микрофона
    где - коэффициент модуляции;
    - приложенное к микрофону постоянное напряжение;
    - сопротивление нагрузки микрофона;
    - отношение коэффициента модуляции к величине смещения диафрагмы микрофона;
    - действующая на диафрагму микрофона результирующая сила звукового давления;
    - коэффициент трансформации;
    - внутреннее сопротивление микрофона;
    - механическое сопротивление акустической системы микрофона.
  • для электромагнитного микрофона;
    где - число витков обмотки;
    - магнитный ток, исходящий из полюса магнитной системы;
    - зазор между полюсом и якорем;
    - внутреннее электрическое сопротивление микрофона.
  • для электродинамического катушечного микрофона:
    где - индукция в зазоре магнитной системы;
    - длина проводника обмотки подвижной катушки;
    - колебательная частота диафрагмы (якоря).

Сила звукового давления

Результирующая сила звукового давления микрофона (т.е. сила, действующая на одну сторону диафрагмы) определяется соотношением:

где - звуковое давление, имевшее место в акустическом поле до внесения в него микрофона;
- коэффициент дифракции, определяемый как отношение звукового давления на поверхность диафрагмы к давлению ;
- поверхность диафрагмы, на которую воздействует звуковое давление.

См. также

Преобразователи электродинамические

Электродинамические преобразователи применяют для измерения параметров вибрации в частотном диапазоне 1 Гц... Они содержат магнитную систему, в зазоре которой расположена катушка с проводом, жестко соединенная с колеблющейся массой. К преимуществам электродинамических вибродатчиков следует отнести амплитудный диапазон, низкое выходное сопротивление и возможность передачи сигналов по длинной линии связи.[4]


Общие положения

Электродинамическими называют индукционные системы, электрический контур которых перемещается в магнитном поле, порожденном внешним по отношению к контуру источником МДС(таким источником может служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы). Величина ЭДС перемещения, наводимая в электродинамических системах при перемещении контура (провода).[5]

Принцип действия

Электродинамические преобразователи используют принцип вазимодействия магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки индуктивности с обмоткой. При использовании лх в качестве микрофона звуковые колебания воздействуют на подвижную катушку, она колеблется в постоянном магнитном поле и в катушке индуктируется ЭДС. При работе электродинамического преобразователя в качестве телефона разговорный переменный ток подается на подвижную катушку. Магнитное поле, создаваемое этим током, взаимодействует с полем постоянного магнита, подвижная система колеблется и возбуждает звуковые колебания с частотой разговорного тока. Электродинамические преобразователи вносят небольшие искажения, но обладают малой чувствительностью, поэтому они используются не в телефонной связи, а только в измерительных устройствах.

При движении проводника длинной l в постоянном магнитном поле индукцией со скоростью в нем индуцируется ЭДС сигнала

В равномерном магнитном поле

Учитывая, что колебательная скорость V равна действующей на проводник силе, деленной на механическое сопротивление т.е.

и что сила определяется произведением давления на площадь проводника получим уравнение чувствительности электродинамической системы. Таким образом величина ЭДС опасного сигнала на выходе такой системы равна Механическое сопротивление одноконтурной механической системы может быть определено из соотношения:

где - действующая на проводник сила;
- колебательная скорость;
- активное сопротивление (трение) мех Ом;
- масса провода (кг);
- гибкость (м/ньютон).

Электродинамический преобразователь хорош тем, что вносит очень небольшие амплитудно-частотные искажения в систему телефонной передачи. Однако чувствительность такого преобразователя очень мала.

См. также

Преобразователи электромагнитные

Электромагнитные преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и, в зависимости от принципа действия, могут быть как параметрическими,так и генераторными. К параметрическим относятся преобразователи, преобразующие изменение входного механического воздействия в изменение параметров магнитной цепи ─ магнитного сопротивления и индуктивности обмотки .


Общие положения

У этих систем, в отличии от электродинамических, электрическая часть является неподвижным контуром. Так же, как у электродинамических систем, внешним источником МДС могут служить электромагнит или постоянный магнит, входящий в состав магнитной цепи системы. Действие подобных преобразователей основано на колебании ферромагнитного сердечника в переменном магнитном поле или изменении магнитного потока при движении сердечника.[6]

Принцип действия

Принцип преобразования состоит в индуцировании ЭДС сигнала в обмотке при изменении магнитного потока

где
- площадь полюсного наконечника со стороны зазора,
- площадь якоря,
- магнитодвижущая сила постоянного магнита,
- число витков,
- величина зазора.

Электромагнитные преобразователи могут быть основаны также на принципе перемещения в постоянном магнитном поле проводника, на концы которого подается переменная разность потенциалов. Этот принцип может быть использован для генерирования колебаний ультразвукового диапазона частот. Ток в направляющем кольце, являющемся витком вторичной обмотки трансформатора, индуктируется возбуждающей катушкой, которая служит первичной обмоткой трансформатора.[7]

Примеры преоразователей

Примерами преобразователей электромагнитной системы являются электромагнитные капсюли, электрические звонки постоянного и переменного тока, электромагнитные реле. Следует обратить внимание на то, что и в этом случае не представляется возможным уменьшить коэффициент преобразования у подобных систем при сохранении требуемых рабочих параметров этих элементов.

См. также

Преобразователи электростатические

Электростатический преобразователь представляет собой два или несколько тел, между которыми действует электрическое поле.


Общие положения

Действие электростатических преобразователей основано на изменении силы притяжения обкладок конденсатора при изменении напряжения на нем и на изменении положения обкладок конденсатора относительно друг друга под действием, например, акустических волн.[8]

Простейшим преобразователем этой системы является электрический конденсатор, одна пластина которого подвижная, другая закреплена неподвижно. Коэффициент преобразования определяется соотношением:

где - напряжение приложенное к пластинам,
- площадь пластин,
- зазор между пластинами,
- механическое сопротивление системы,
- частота воздействующего поля.

Примеры преобразователей

Для получения эффекта преобразования на пластины необходимо подать напряжение. Примерами устройств действующих по этой системе являются пластины различных реле (если провода от них выходят за пределы контролируемой зоны), монтажные провода или электрические детали плат, расположенные вблизи металлического корпуса технического средства.

Уменьшить коэффициент преобразования (и, соответственно величину опасного сигнала) возможно при уменьшении площади пластины конденсатора или увеличении механического сопротивления системы с помощью заливки (проводников, плат, схем и т.п.).

Области применения

Электростатические преобразователи могут быть использованы при измерении различных неэлектрических величин по четырем направлениям: измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана либо с , либо с , либо с , либо с диэлектрическими потерями конденсатора. В последних двух случаях емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел.

В подавляющем же большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга.

Они используются в качестве уровнемеров, толщиномеров; для измерения влажности материалов; в качестве динамометров – приборов для измерения давлений сил; для измерения кручения вала; измерения вибраций, ускорений и т. д.

Электростатические преобразователи с изменяющейся емкостью используются в различных датчиках прямого преобразования, а также как преобразователи неравновесия в датчиках уравновешивания.

Область применения емкостных преобразователей весьма разнообразна, однако наиболее широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например давлений.

При современной технологии изготовления датчиков начальный зазор может быть доведен до мкм и порог чувствительности по перемещению оценивается значениями порядка м. Все это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются емкостные преобразователи. Наблюдается также тенденция к применению емкостных преобразователей для всех измерений, проводимых в области сверхнизких температур.[9]

См. также

Преобразователи механострикционные

Механострикционный преобразователь - электромеханический или электроакустический преобразователь, действие которого основано на эффекте магнитострикции.


Общие положения

Механострикция - деформация, возникающая в ферро-, ферри- и антиферромагнитных материалах при наложении механических напряжений (например, звуковая волна), изменяющих магнитное состояние (намагниченность) образцов. В отсутствие внешнего магнитного поля механические напряжения вызывают в таком материале процессы смещения границ магнитных доменов и вращения векторов их самопроизвольной намагниченности, что приводит к дополнительному, по сравнению с упругим, изменению намагниченности. Возможность подобных каналов утечки информации основана на свойствах магнитных материалов изменять намагниченность под действием внешней силы. Если на сердечнике из магнитного материала разместить обмотку, то действие звукового поля на сердечник приведет к появлению в обмотке ЭДС опасного сигнала.

Механострикционный эффект свойственен электрическим трансформаторам, дросселям, электромагнитным реле и другим элементам, в которых витки расположены на магнитном сердечнике. Чувствительность в системе (коэффициент акустоэлектрического преобразования) зависит от магнитострикционной чувствительности материала. Как показывает опыт, при изменении процентного содержания кремния в сплавах стали с никелем можно существенно уменьшить магнитострикционную составляющую чувствительности сплава. Можно в ряде случаев использовать комбинированную систему уменьшения коэффициента преобразования за счет заливки трансформатора, находящегося в экране, вязким компаундом.

Магнитострикция

Магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании - вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро - и ферритомагнетиках, в которых взаимодействие частиц особенно велико.

В магнитострикционном преобразователе используется линейная магнитострикция ферромагнетиков в области технического намагничивания. Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов с нанесенной на него обмоткой (такие конструкции используются в фильтрах, резонаторах и других устройствах акустоэлектроники). В подобном преобразователе энергия переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике протекающем по обмотке переменным электрическим током, преобразуется в энергию механических колебаний сердечника или наоборот, энергия механических колебаний, наведенная, например, акустическим сигналом, воздействующим на сердечник преобразуется в энергию магнитного поля наводящего переменную ЭДС в обмотке.[10]

Принцип действия

Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов с обмоткой. Протекающий по обмотке магнитострикционного преобразователя переменный ток от внешнего источника создаёт в сердечнике переменное магнитное поле (намагниченность), которое вызывает его механические колебания. И наоборот, колебания сердечника магнитострикционного преобразователя под действием внешних переменной силы преобразуются в переменную намагниченность, наводящую в обмотке переменную эдс. Электрич. импеданс обмотки M. п. в областях частот, лежащих вблизи собственных частот колебаний сердечника, в значит, степени определяется механическими параметрами сердечника, рассматриваемого как колебательная система. В соответствии с этими свойствами магнитострикционные преобразователи используют в УЗ-технике, гидроакустике, акустоэлектропике и ряде других областей техники в качестве излучателей и приёмников звука, разнообразных датчиков колебаний, фильтров, резонаторов, стабилизаторов частоты и др.

В большинстве случаев магнитострикционные преобразователи работают при наличии постоянной составляющей магнитного поля (магнитной индукции ) с целью линеаризации эффекта магнитострикции: при этом колебания сердечника в режиме излучения происходят с частотой возбуждающего поля, а в режиме приёма ЭДС в обмотке имеет частоту внешнего звукового давления. Постоянное подмагничивание создаётся либо протекающим по обмотке постоянным током, либо с помощью постоянных магнитов, либо за счёт остаточной намагниченности. В излучателях звука величину выбирают так, чтобы получить максимальный эффект преобразования энергии или достичь предельной излучаемой мощности (в последнем случае где - индукция насыщения). В приёмниках достаточной бывает остаточная намагниченность, при которой чувствительность ближе к максимальному значению. В устройствах акустоэлектроники - фильтрах, стабилизаторах, линиях задержки - постоянный ноль используют иногда и для управления их характеристиками - коэффициентом передачи, величиной потерь, рабочей частотой. Магнитострикционные преобразователи используются обычно в режиме резонансных колебаний сердечника, вне резонанса применяются иногда лишь датчики колебаний.[11]

См. также

Преобразователи-излучатели электроакустические

Электроакустические преобразователи - устройства для преобразования акустических колебаний в электрические и обратно (пьезоэлементы, микрофоны, телефоны, громкоговорители и др.) и технические устройства в которых эти преобразователи используются.[12]


Общие положения

Электроакустический преобразователь-излучатель характеризуется чувствительностью, равной отношению Р на определенном расстоянии от излучателя на оси характеристики направленности к или ; внутренним сопротивлением, представляющим собой нагрузку для источника электрической энергии; акустоэлектрическим КПД

где активная излучаемая акустическая мощность;
активная электрическая потребляемая мощность.

Конструкции акустоэлектрических преобразователей существенно зависят от их назначения и применения и поэтому весьма многообразны. К акустоэлектрическим преобразователям может быть отнесен весьма широкий круг окружающих нас приборов, элементов различных электрических сетей, линий связи и управления и т.п.

Степень возможной опасности создания акустоэлектрического канала утечки информации зависит от коэффициента преобразования акустоэлектрического преобразователя - чем он выше, тем больше мощность (напряжение) преобразованного в электрический опасного сигнала при одинаковой мощности акустического сигнала:

Существенным в этом соотношении является то, что в состав коэффициента преобразования входит величина механического сопротивления соответствующего акустоэлектрического преобразователя, связанная с величиной трения перемещающихся под воздействием акустического поля элементов. Величина чувствительности акустоэлектрических преобразователей определяется в милливольтах опасного электрического сигнала к звуковому давлению опасного акустического сигнала в Па, т.е. мВ/Па. На практике часто сравнивают чувствительность акустоэлектрических преобразователей с чувствительностью специально созданных акустоэлектрических преобразователей, таких, как микрофоны. Например, у конденсаторного электретного микрофона МКЭ-3 чувствительность по свободному акустическому полю на частоте 10 кГц не более 3 мВ/Па, у электродинамических миниатюрных микрофонов ММ-5 средняя чувствительность в диапазоне частот 0,5 - 5,0 кГц на сопротивление нагрузки не менее 0.6 мВ/Па (для низкоомных - 600 Ом) и 1,2 мВ/Па (для высокоомных - 1200 Ом).

Сравнение акустопреобразовательных элементов показывает, что некоторые из них по "чувствительности" близки к специально созданным для преобразования звуковой энергии в электрическую (микрофонов). Так, например," чувствительность "некоторых звонковых цепей телефонных аппаратов достигает 0,15-0,4 мВ/Па.

Электроакустические преобразователи могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Обратимыми называются такие преобразователи, которые преобразуют акустические колебания в электрические сигналы и обратно. Необратимые электроакустические преобразователи такими способами не обладают.[13]

Виды электроакустических преобразователей

Электромагнитный преобразователь

Электромагнитный преобразователь состоит из подковообразного магнита, подвижной мембраны и катушки, к которой подводится или с которой снимается переменное напряжение. Электромагнитный преобразователь является обратным, он может служить в роле телефона или микрофона.

Рис. 1 Электромагнитный преобразователь

Электродинамиеский преобразователь

Рис. 2 Электродинамический преобразователь

При протекании тока по катушке возникают колебания диффузора, которые вызывают звуковые волны, так устроен громкоговоритель или динамик.

Электродинамический преобразователь может работать и в качестве микрофона, тогда под действием звуковых волн возникают колебания диффузора (Д), а в катушке наводится переменное напряжение, следовательно, этот преобразователь является обратимым, он имеет высокую чувствительность, хорошую равномерность по диапазону частот, малый коэффициент нелинейных искажений, поэтому хорошо электродинамический преобразователь широко используется в системах связи.

Электростатический преобразователь

Рис. 3 Электростатический преобразователь

Под действием звуковых колебаний мембрана колеблется, изменяется расстояние между ней и корпусом, а следовательно и их взаимная емкость. Эти изменения фиксируются усилителем.

Электростатический преобразователь – это конденсаторный или электронный микрофон. Он является необратимым, имеет хорошую равномерность и малый коэффициент нелинейных искажений. Недостатком является низкая чувствительность в режиме микрофона, поэтому требуется усилитель с большим коэффициентом усиления.

Пьезоэлектрический преобразователь

Рис. 4 Пьезоэлектрический преобразователь

В пластине кварца прикреплены два электрода (Э1, Э2). За счет прямого пьезоэффекта под действием приложенного напряжения пластина начинает колебаться, и возникают звуковые колебания. В таком режиме пьезоэлектрический преобразователь используется в качестве вызывных устройств, телефонов, звуковых индикаторов и т. д. За счет обратного пьезоэффекта из-за колебания пластины на электродах возникает переменное напряжение, в этом случае преобразователь может быть использован в режиме сенсорных кнопок, но из-за низкой чувствительности он не применяется в качестве микрофона.

Угольный преобразователь

Рис. 5 Угольный преобразователь

В угольном преобразователе корпус (К) заполнен мелкой угольной пылью, мембрана (М) изолирована от корпуса. Под действием звуковых колебаний происходит уплотнение или разряжение угольного порошка, поэтому сопротивление в цепи микрофона меняется и возникает электрический сигнал. Данный преобразователь является необратимым и используется только в качестве микрофона. Из-за больших нелинейных искажений и заметной неравномерности в диапазоне частот в современных системах связи угольный преобразователь не используется.

См. также

Детектор сверхвысокочастотного излучения

Детектор сверхвысокочастотного излучения - устройство способное определять наличие сверхвысокочастотного излучения. В основе конструкции лежат диодные цепи.


Диод Ганна

Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника.

Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диода Ганна

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300мВт.

Наряду с арсенидом галлия для изготовления диодов Ганна также используется фосфид индия (до 170 ГГц) и нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна — 3 ТГц.

Лавинно-пролётный диод

Лавинно-пролетный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.

Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: (m-n — переход металл-полупроводник), и другие.

Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Принцип работы лавинно-пролетного диода рассмотрим на примере структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обедненный слой -перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от -перехода к переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в -область, а электроны дрейфуют к -области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролетным. КПД этого режима не превышает 0,3.

Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны -области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении -области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой.

В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к -области, а электроны — к -области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.

Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролетного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5.

Pin диод

PIN-диод — разновидность диода, в котором между областями электронной () и дырочной () проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). и области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу. Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но с другой стороны это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике. Как правило предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн (СВЧ).

Принцип работы

Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных и областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку — как только ведро наполняется до уровня отверстия — оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.

Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию.

Характеристики

На низких частотах для pin-диода справедливы те же уравнения, что и для обычного. На высоких частотах pin-диод ведет себя как практически идеальный резистор — его вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна даже для очень большого значения напряжения. На высоких частотах в i-области находится большое количество накопленного заряда, который позволяет диоду работать. На низких частотах заряд в i-области рекомбинирует и диод выключается. Высокочастотное сопротивление обратно пропорционально постоянному току, протекающему через pin-диод. Таким образом, можно варьировать значение сопротивления в широких пределах — от 0.1 Ом до 10КОм — меняя постоянную составляющую тока. Большая ширина i-области также означает, что pin-диод имеет небольшую ёмкость при обратном смещении.

Области пространственного заряда (ОПЗ) в pin-диоде практически полностью находятся в i-области. По сравнению с обычными, pin-диод имеет значительно большую ОПЗ, границы которой незначительно меняются в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом увеличивается объем полупроводника, где могут быть образованы электронно дырочные пары под воздействием излучения (например, оптического — фотона). Некоторые фотодетекторы, такие как pin-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является pin-диодом), используют pin-переход для реализации функции детектирования.

При проектировании pin-диода приходится искать компромисс: с одной стороны, увеличивая величину i-области (а соответственно и количество накопленного заряда) можно добиться резистивного поведения диода на более низких частотах, но с другой стороны, при этом для рекомбинации заряда и перехода в закрытое состояние потребуется большее время. Поэтому как правило pin-диоды каждый раз проектируются под конкретное приложение.

Применение

PIN-диоды как правило используются как переключатели в радио- и СВЧ трактах, аттенюаторы и фотодетекторы. По области применения pin-диоды подразделяют на:

  • смесительные (например: 2А101 — 2А109);
  • детекторные (например: 2А201 — 2А203);
  • параметрические (например: 1А401 — 1А408);
  • переключательные и ограничительные (например 2А503 — 2А524);
  • умножительные и настроечные (например: 2А601 — 2А613);
  • генераторные (3А703, 3А705).

Радиочастотные (РЧ) и СВЧ-переключатели

При нулевом или обратном смещении pin-диод имеет низкую ёмкость. Ёмкость малой величины не пропускает высокочастотный сигнал. При прямом смещении и токе 1мА типичный pin-диод имеет сопротивление порядка 1 Ом, что делает его хорошим проводником в РЧ-тракте. Таким образом, pin-диод может использоваться в качестве хорошего РЧ- и СВЧ-переключателя.

РЧ реле также используются как переключатели, однако с меньшей скоростью (время переключения ~10мс), в то время, как pin-диоды — значительно быстрее (1мс).

Ёмкость выключенного дискретного pin-диода составляет ~1пФ. На частоте 320МГц реактивное сопротивление такой емкости ~500Ом. В системах, рассчитанных на 50 Ом, ослабление сигнала будет около 20дБ, что в некоторых приложениях не достаточно. В приложениях, требующих большей изоляции переключатели каскадируются — каскад из 3-х диодов дает ослабление в 60 дБ.

РЧ и СВЧ управляемые аттенюаторы

Меняя ток через pin-диод можно быстро изменить реактивное сопротивление.

На высоких частотах сопротивление pin-диода обратно пропорционально силе тока. Соответственно, pin-диод может использоваться как управляемый аттенюатор, например, в схемах амплитудных модуляторов и сдвига уровня. pin-диоды могут использоваться, например, как мостовой или шунтирующий резистор в Т-мостовой схеме аттенюатора.

Ограничители

PIN-диоды иногда используются для защиты устройств по входам при высокочастотных измерениях. Если входной сигнал мал и находится в области допустимых значений, то pin-диод как малая ёмкость вносит минимальные искажения. При увеличении сигнала и выходе его за допустимые рамки pin-диод начинает проводить и становится резистором, шунтирующим сигнал на «землю».

См. также

Детектор оптического излучения

Детектор оптического излучения — устройство, способное регистрировать оптическое излучение. PIN-диод может использоваться в сетевых картах и коммутаторах для волоконно-оптических кабелей. В этих приложениях PIN-диод используется как фотодиод.


Фотодетекторы. PIN-диоды

В качестве фотодетектора PIN-диод работает при обратном смещении. При этом он закрыт и не пропускает ток (за исключением незначительного тока утечки Is). Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.

Величина обратного напряжения может достигать больших значений, при этом большее напряжение создает большее поле, которое вытягивает носители из ОПЗ i-области более быстро. Некоторые детекторы могут использовать эффект лавинного умножения носителей заряда. Они применяются в линиях связи с квантовокриптографическим шифрованием.

Принцип действия

Фоторезисторы используют явление изменения сопротивления вещества под действием солнечного света (внутренний фотоэффект). Основной элемент фоторезистора – полупроводниковая пластина, сопротивление которой под действием света изменяется. Механизм возникновения фотопроводимости можно объяснить следующим образом: в затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Т. е. полупроводник обладает начальной проводимостью (темновая проводимость). Под действием света концентрация подвижных
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика фоторезистора
Рис. 2. Энергетическая характеристика фоторезистора
Рис. 3. Зависимость монохроматической чувствительности фоторезистора от длины волны
носителей увеличивается. Это может происходить за счет того, что кванты света возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызывать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличивать только дырочную составляющую проводимости, или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости, вызывая увеличение только электронной проводимости. Таким образом, в полупроводнике при освещении концентрация носителей заряда увеличивается, и проводимость резко возрастает.

Изменение проводимости под действием света называют фотопроводимостью. Изменяя освещенность полупроводника можно регулировать фотопроводимость. Основные характеристики фоторезисторов:


  1. Вольт-амперная характеристика при
  2. Энергетическая характеристика при - зависимость фототока от светового потока. В области малых Ф она линейная, а при увеличении Ф рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинаций носителе заряда через ловушки и уменьшения их времени жизни.
  3. Чувствительность (отношение выходной величины к входной). Бывает токовая чувствительность к световому потоку токовая чувствительность к освещенности и т.д.
  4. Температурный коэффициент фототока – указывает изменение параметров фоторезистора при изменении температуры.
  5. Абсолютная и относительная спектральные характеристики – это значения чувствительности в полосе частот. Абсолютная спектральная характеристика представляет собой зависимость монохроматической чувствительности, выраженной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируемого потока излучения. Относительная спектральная характеристика – зависимость монохроматической чувствительности от длины волны, отнесенная к значению максимальной чувствительности.
  6. Пороговый поток – минимальное значение светового потока, которое может обнаружить фоторезистор на фоне собственных шумов.

Принципы работы фотоприемников с внутренним фотоэффектом

В основе работы большинства современных фотоприемников лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с переходом, которая называется фото-диодом. Из фотоприемников, применяемых в коммуникационных КПС (линиях связи), получили распространение фото-диоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Рассмотрим принципы работы фотоприемника на примере фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями - и -типа (+ означает сильное легирование). Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На структуру подается напряжение с обратным смещением U0 (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (градиент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в - и -слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. Поэтому при изготовлении фотодиодов стремятся делать- и -слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Фотодиоды могут изготавливаться из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн, в которых достигается максимальная эффективность фотодиодов для разных полу-проводниковых материалов, могут существенно отличаться. Эффективность (квантовая) обедненной области в рабочем диапазоне длин волн достаточно высока ~80-100%. Однако часть падающего излучения испытывает френелевское отражение от фоточувствительной поверхности из-за скачка показателей преломления на границе между этой поверхность и средой. Для уменьшения отражения приемную поверхность обедненного слоя покрывают антиотражающим слоем – специально подобранным прозрачным для длины волны излучения , материалом толщиной кратной и показателем преломления, равным где и – показатели преломления i-слоя и воздуха.

Технические характеристики фотоприемников

  • токовая чувствительность;
  • квантовая эффективность;
  • темновой ток;
  • время нарастания и спада (инерционность);
  • эквивалентная мощность шума;
  • соотношение сигнал/шум;

Токовая чувствительность (монохроматическая) [А/Вт] определяется как

где фототок,
полная оптическая мощность излучения на длине волны , падающего на фоточувствительную площадку.

Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность (безразмерная величина) определяется как

где количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник,
количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Квантовая эффективность для фотодиодов не может быть больше 1 (100%). Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует про-стая связь где – заряд электрона (1,60×10-19 К), - длина волны, - постоянная Планка (6,63×10-34 Дж×сек), – скорость света (3,00×108 м/с). С подстановкой значений констант получаем На основании зависимостей оценивается значения токовой чувствительности для разных материалов и разных длин волн.

Рис. 4. Зависимость квантовой эффективности от длины волны для различных материалов

Темновой ток протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток утечки имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.

Для изучения шумовых характеристик приемника используются также еще два шумовых тока: дробовой ток – для фотодиода ,

где заряд электрона,
темновой ток,
полоса пропускания (частота модуляции).

Тепловой Джонсоновский ток ,

гдепостоянная Больцмана Дж/К,
абсолютная температура (К),
полоса пропускания,
сопротивление [Ом].

Полный шумовой ток определяется, как среднее квадратичное дробового и теплового токов.

Время нарастания τrise (спада τfall) – это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряженности электрического поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно tnse) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то времена нарастания и спада главным образом определяют полосу пропускания. Различные фотоприемники могут очень сильно отличаться по быстродействию. Наиболее быстрыми являются фотодиоды. У лавинных фотодиодов увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с фотодиодами. Наиболее медленными являются фототранзисторы.

Эквивалентная мощность шума [Вт] – это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприемников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и вычисляются по формуле: ,

где полный шумовой ток.

По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. можно пронормировать, поделив на . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт/√Гц и не зависит от полосы пропускания. Например, если фотодиод имеет темновой ток 2 нА, дробовое сопротивление Ом, токовую чувствительность А/Вт, и полную полосу пропускания Гц, то дробовой ток А, тепловой ток А, полный шумовой ток А, и эквивалентная мощность шума Вт.

В фотоприемниках, применяющихся в КПС с ОЭС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на фотоприемник подается обратно смещенное напряжение, приводящее к темновому току, который, в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Принятой единицей измерения чувствительности фотоприемников, также как мощности излучения у светоизлучающих диодов, является дБм.

Динамический диапазон

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения называется динамическим диапазоном. Максимально допустимое обратное напряжение – это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника.

Рабочий диапазон температур (°С). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры фотоприемника.

Во-первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Например, на рисунке (Рисунок 4.10 а) показана зависимость квантовой эффективности фотодиода на основе кремния. По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной относительное процентное изменение квантовой эффективности при увеличении температуры на 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.

Во-вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток.

Лавинный фотодиод

Принцип работы практически аналогичен такому же СВЧ лавинному диоду. Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид, то у ЛФД добавляется р-слой () . Причем профиль распределения легирующих примесей выбирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффициент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности фотодиодов.

ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока приводит к шуму. В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2,1). В результате этого выбирается оптимальное значение коэффициента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умножения. Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации.

Принцип действия фототранзистора

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика фототранзистора

Простейший фототранзистор имеет два p-n перехода. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиодов и транзистора. Его характеристики аналогичны фотодиоду, но оказываются усиленными соответствующие токи. Напряжение питания на фототранзистор подается так же, как и на обычный транзистор, т. е. эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Часто используют включение, когда напряжение подается только между коллектором и эмиттером, а база остается оторванной. Это включение с плавающей базой характерно только для фототранзисторов. Здесь фототранзистор всегда находится в активном режиме, но при нулевом световом потоке ток через него невелик (темновой ток).

Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате собственного поглощения энергии, в ней генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители в базе (дырки) диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая коллекторный ток. Если база разомкнута, то основные носители (электроны), образовавшиеся в результате облучения, не могут покинуть базу и накапливаются в ней. Объемный заряд этих электронов понижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. Следовательно, увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. Инжектированные дырки, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе, к коллекторному переходу. Т. е. повышается коллекторный ток. Таким образом, носители, генерируемые в результате облучения, непосредственно участвуют в создании фототока.

Те же процессы происходят и при подаче тока от внешнего источника в цепь базы. Здесь темновой ток определяется током базы, т. е. появляется дополнительная возможность управлять током фототранзистора. Выбором соответствующего темнового тока удается обеспечить оптимальный режим усиления слабых световых сигналов, а также суммирование их с электрическими сигналами.

Параметры и характеристики фототранзисторов:

  1. ВАХ. Похожи на выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером при и
  2. Энергетическая и спектральная характеристики подобны характеристиками фотодиода.
  3. Токовая чувствительность: отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению «входного» светового потока при Х.Х. на входе и КЗ на выходе фототранзистора.
  4. Коэффициент усиления по фототоку – отношение фототока коллектора со свободной базой к фототоку коллектора, измеренного в фотодиодном режиме (при отключенном эмиттере) при том же значении светового потока

ПЗС

ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. CCD — Charge-Coupled Device). Общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника.Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.

Рис. 6. Структурная схема ПЗС

Принцип действия

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига. Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (picture phone и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали их «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. Ивама умер в августе 1982. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У.Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ.). В октябре 2009 года каждому «досталось» по четверти Нобелевской премии по физике.

Блуминг

Блуминг (или блюминг) (от англ. bloom — цветок) в ПЗС — это эффект «растекания» избыточного заряда от пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Основная причина возникновения — ограниченная ёмкость потенциальной ямы для фотоэлектронов в ячейке. Блуминг имеет характерную симметричную форму, определяемую геометрией расположения элементов на матрице. В настоящее время (приблизительно с 2006 года) в любительских устройствах блуминг обычно не проявляется, так как в них используются специальные антиблуминговые цепи, которые отводят избыточные электроны из ячеек. Однако, отвод электронов по мере заполнения потенциальной ямы приводит к нелинейности характеристики ПЗС и затрудняет измерения. Поэтому в научных целях по-прежнему применяются ПЗС без антиблуминговых цепей, и блуминг часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов.


См. также

  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html
  • http://www.findpatent.ru/patent/244/2446551.html
  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html
  • http://www.ngpedia.ru/id308245p1.html
  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html
  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html
  • http://www.ngpedia.ru/id308064p1.html
  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html
  • http://www.studmed.ru/docs/document1420?view=4
  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html
  • http://femto.com.ua/articles/part_1/2111.html
  • http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akustoelektricheskie_preobrazovatelia.html
  • http://vse-lekcii.ru/zheleznodorozhnyj-transport/ats/elektroakusticheskie-preobrazovateli