CC BY
23
р-К8К 1607-3274. Радюелектронжа, шформатика, управлiння. 2016. № 2 е-ЕЗБЫ 2313-688Х. Каёю Е1еойоп^, Сошриег Баепое, Сопйо1. 2016. № 2
РАДЮЕЛЕКТРОШКА ТА ТЕЛЕКОМУШКАЦП
РАД1ОЕЛЕКТРОНИКА ТА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
КАБЮ ЕЬЕСТКОМС8 AND TELECOMMUNICATIONS
УДК 621.383
Осадчук О. В.1, Коваль К. О.2, Притула М. О.3
1Д-р. техн. наук, професор, завiдувач кафедри радотехнки Внницького национального технчного унверситету, Внниця,
УкраТна
2Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри радотехнки Внницького нацонального технiчного унiверситету Внниця,
УкраТна
3Аспiрант кафедри радотехнки Внницького нацонального технчного унверситету, Внниця, УкраТна
РАД1ОВИМ1РЮВАЛЬНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ МАГН1ТНОГО ПОЛЯ _НА ТРАНЗИСТОРН1Й СТРУКТУР I_
Виршено завдання вим1рювання напруженост магштного поля радювим1рювальним перетворювачем магштного поля на бшолярних та польовому транзисторах. Запропоновано схемотехшчне ршення радювим1рювального перетворювача, який забезпечуе перетворення напруженост магштного поля в частоту електричного коливання, що дозволяе тдвищити чутливють пристрою до напруженост магштного поля. Проведено експеримент з дослщження розробленого радювим1рювального перетворювача магштного поля. У результат проведених експеримен™ дослщжено залежност вихщно! частоти та чутливост пристрою вщ напруженост магштного поля.
Ключовi слова: радювим1рювальний перетворювач, магштотранзистор, напружешсть магштного поля, чутливють.
ВСТУП
Вим1рювання магштного поля знаходить практичне застосування при дослщженш властивостей матер1ал1в, у магштнш дефектоскопп, при вивченш магштного поля Земл1, при контрол1 магштного поля в р1зних установках та шше [1].
Загальна тенденщя в розвитку пристрош вишрюван-ня магштного поля, зумовлена збшьшенням вимог точ-ност до них при одночасному ускладненш експлуатац-шних умов. Все це обумовлюе проводити пошуки [ роз-робку нових ф1зичних явищ, нових матер1ал1в, нових метод1в вишрювання, що дозволило б покращити мет-ролопчш та економ1чш показники пристрош вишрюван-ня магштного поля.
Проблемою високоточного вишрювання магштних пол1в займаються як украшсьм (В1кулша I. М., Готра З. Ю., Голяка Р. Л., Кухарчук В. В., Осадчук В. С., Осадчук О. В. та !нш) так [ закордонш вчеш (Хомерт О. К., Аша Ж., Вшлеба Г., Епазаряна Г. А., Новицького П. В., Стафеева В. I. та шш1).
В сучаснш техшщ юнують надчутлив1 датчики магш-тного поля, яю використовують явище надпровщност та ефект Джозефсона. Але конструктивш особливост та© Осадчук О. В., Коваль К. О., Притула М. О., 2016
БОТ 10.15588/1607-3274-2016-2-2
ких сенсор1в дозволяють !х застосовувати лише в лабора-торних умовах [2]. Використання шших вид1в датчиюв магштного поля у склад1 сучасних штегральних пристрош в даний час пов'язано з низкою проблем, серед яких го-ловними е низька чутливють датчика до магштного поля 1 вщсутшсть загально! технологи виготовлення функщо-нально! штегрально! схеми [ датчика. Водночас вдоско-налюються алгоритми та схеми перетворення шформа-тивних сигнал1в датчиюв магштного поля в вишрюваль-ну величину [3].
Перспективним науковим напрямком е розробка та створення первинних радювшшрювальних перетворю-вач1в, яю реал1зують принцип перетворення «магштна шдукщя - частота», на основ! реактивних властивостей нашвпровщникових структур з вщ'емним опором. Використання таких прилад1в виключае з !х конструкцш ана-лого-цифров1 перетворювач1, що дозволяе знизити со-б1варлсть систем контролю та управлшня, а також ство-рити «штелектуальш» високоточш радювим1рювальш перетворювач1 магштного поля в результата поеднання на одному кристал1 схем обробки шформацп та сенсора магштного поля [4].
Таким чином, актуальною науковою задачею е створення високочутливого радювим1рювального перетво-
рювача магнiтного поля, який легко може бути реалiзо-ваний в сучаснш iнтегральнiй технологи.
Постановка задача розробити електричну схему ра-дiовимiрювального перетворювача магнiтного поля з тдвищеною чутливiстю та провести И експерименталь-не дослiдження.
Метою статп е розробка електрично! схеми радюви-мiрювального перетворювача магнiтного поля з тдвищеною чутливютю та И експериментальне дослщження на основi теоретичних засад роботи двоколекторного магштотранзистора.
АШАЛЗ ПРИНЦИПУ ДП ДВОКОЛЕКТОРНОГО МАГШТОТРАНЗИСТОРА
Двоколекторний магнiтотранзистор являе собою бшо-лярний транзистор, колектор у якого роздiлений на двi час-тини. За вiдсугностi магнiтного поля шжектоват емiтером носи заряду розподшяються рiвномiрно мiж колекторами i !хт струми рiвнi. Вiдповiдно потенцiали колектс^в одна -ковi (при рiвних колекторних опорах ), i рiзнищ напруг мiж колекторами дорiвнюе нулю (и = 0). Поперечне маг-нiтне поле вiдхиляе попк носив убiк одного з колекгс^в (К2), що приводить до збшьшення його струму i зменшення струму шшого колектора (К1). 3 ще! причини потенциал одного колектора зменшуеться, а iншого збiльшуеться i напруга мiж колекторами росте зi збiльшенням шдукци магнiтного поля. При змш напрямку магнiтного поля змшюеться i знак напруги мiж колекторами [3].
Крiм основного ефекту - перерозподшу шжектова-них носив мiж колекторами у такому магнiтотранзисторi одночасно дiе й ефект змiни ефективно! довжини бази. Явище змiни ефективно! довжини бази знижуе чутливють двоколекторного магштотранзистора, тому що вш збшьшуе струм колектора К1 i зменшуе струм колектора К2, тобто його дiя протилежна дИ ефекту перерозподшу носив мiж колекторами [4].
Проведено розрахунок коефiцiентiв передачi струму двоколекторного магштотранзистора i ^215 2 у ко-
лектори К1 i К2 на основi структури рис. 1, де колектори розташованi по всш поверхнi його бiчних граней. Спо-
k K1
Л
у
_ 2b
E
x o фв
Рисунок 1 - Структура двоколекторного магштотранзистора
чатку будемо вважати ем1тер близьким до точкового i розглянемо рух носив убж колектора К1. ¡нжектоваш в базу носи рухаються в напрямку у 3Í швидкiстю v = цЕ (напруженiсть електричного поля досить велика, так що швидюсть дрейфу в цьому напрямку набагато бшьша швидкостi дифузи).
За вщсутност магнiтного поля W = W0, у магнiтному полi носи вдаиляються у бiк колектора на кут Холла ф i траекгс^я 1хнього руху скорочуеться (штрихова лiнiя на рис. 1). На основi простих геометричних розрахунюв, вважаючи Wo и h при невеликих ф ^ф << 1) маемо ви-раз для ефективно! довжини бази [3]
Wob = Woa / (h • + a) = a2Ex(1 - a%E • 1яф), (1) де E - напружетстъ електричного поля; ф - кут Холла; X = q / (2kT); h - вiдстань, яку проходять iнжектованi в базу носи за час дифузи.
Коефiцiент передачi транзистора та, з врахуванням tgф = цВ, одержимо
h21B1 =1 - (a2X / цт)(1 - axE|B). (2)
У реальнiй конструкци емiтер витягнутий у напрямку x, отже, довжина траекторп (вiдстань вщ емiтера до колектора) для носив, шжектованих з рiзних частин емь тера, неоднакова. Тому формулою (2) можна користати-ся лише для мало! дшянки dx, розташовано! на вiдстанi x вiд ом симетри транзистора. Вiдповiдно
h21B1 (x) = 1 - [(a - x)2 x / цт] *[1 - (a - x)xE|B].
Струм через вiдповiдну дшянку колектора К1 dlK1(JE /2b)h21B1(x)dx, а через весь колектор
Ik1 = (Ie /2b)\0)h21B1(x)dx.
Тодi, коефщент передачi струму дорiвнюе
h21B1 = (!/2b) j0bh21B1(x)dx.
(3)
Поставивши рiвняння (2) в (3) та проштегрувавши, одержимо вираз [3]
h
21В1
Ib
b--
3цт
2 А
[a3 - (a - b)3] + BE[a4 - (a - b)4] 4т
(4)
Формула (4) враховуе тшьки змiну ефективно! довжини бази магштотранзистора. Як видно з рис. 1, дiя ефекту перерозподшу носив мiж колекторами полягае в тому, що носи, шжектоваш з частини емгтера 0 - b^ тд час вiдсутностi магштного поля попадають у колектор К2, а пiд дiею магнiтного поля вдаиляються у бiк першо-го колектора К1. Це еквiвалентно тому, що в магштному полi значення a i b з боку К1 збiльшилися на величину b1. У малих магнiтних полях
b1 и Wo sin ф и h|oB = a хЕцВ.
У реальних схемах виыдним параметром е напруга мiж
колекторами и = RH (IK 1 - Ik2 ) = RHIE (h21B1 - h21B2 ) . Враховуючи (4),
h21B1 - h21B2 = [X2BE /(4bT)][a4 - (a - b)4]. (5)
p-ISSN 1607-3274. Pадiоeлeктpонiка, iнфоpматика, yпpавлiння. 2016. № 2 e-ISSN 2313-688X. Radio Electronics, Computer Science, Control. 2016. № 2
Таким чином, в мабж магштнж поляx остовний внеток y магнiточyтливicть даe змiна ефективжй довжи-ни бази. З метою збшьшення чyтливоcтi в cтpyктypy дво-колeктоpного магнiтотpанзиcтоpа можна ввecти додат-ковий базовий контакт. Пpи пpоxоджeннi cтpyмy оетов-ниx ноciïв чepeз базовi eлeктpоди Б2 i Б1 y базi виникаe EPC Холла, яка cпpямована так, що вiдxиляe iнжeктованi ноciï y одному на^яму з cилою Лоpeнца. Отже, œpe-pозподiл iнжeктованиx ноciïв мiж колeктоpами збiльшyeтьcя. Kpiм того, пpикладeна до контактпв Б2 i Б1 натуга збiльшye напpyжeнicть eлeктpичною поля в баз^ що пpиводить до збшьшення швидкоcтi pyxy шжектова-ниx жюпв, а вiдповiдно i cили Лоpeнца.
Biдповiдно до пpинципy ,niï бiполяpного тpанзиcтоpа включення контактy Б2 е^валентно шyнтyванню емь тepного р—п пepexодy i зменшенню cтpyмy чepeз нього. ^и однаковиx pобочиx cтpyмаx чутливють двоколектсф-ниx магнiтотpанзиcтоpiв на два^и поpядки вище чутли-воcтi ceнcоpiв Холла [5]. Збiльшeна чyтливicть i лшшшсть xаpактepиcтики пpи малиx магштник поляx дозволяють викоpиcтовyвати магнiтотpанзиcтоpи як ceнcоpи cлабиx магнiтниx полiв (вiдтвоpюючi магнiтнi голiвки, eлeктpоннi компаcи тощо). ^и цьому в значниx магштнж поляx чyтливicть змeншyeтьcя тому, що вм ноciï вже пepepоз-подшеш, i напpyга збiльшyeтьcя виключно чepeз змен-шення eфeктивноï довжини бази. В даному pадiовимi-pювальномy частотному пepeтвоpювачi магнiтного поля на тpанзиcтоpнiй cтpyктypi викоpиcтаeмо двоколектсф-ний магнiтотpанзиcтоp в якоcтi чутливого елемента.
РОЗРОБKA FAДЮВИMIFЮВAЛЬHGГG nEFE-TВGFЮВAЧA MArHITHGrG ПаПЯ
Pозpоблeно cтpyктypнy cxeмy paдiовимipювaльного частотного пepeтвоpювaчa мaгнiтного поля з частотним
виxодом (pиc. 2), в якш викоpиcтовyeтьcя двоколeктоp-ний мaгнiтотpaнзиcтоp та частотний пepeтвоpювaч на оcновi двоx бiполяpниx та одного польового тpaнзиcтоpiв.
В мaгнiточyтливомy paдiовимipювaльномy пepeтво-pювaчi вiдбyвaютьcя тpи етапи пepeтвоpeння empoï: eнepгiя мaгнiтного поля пepeтвоpюeтьcя в espiró змiни опоpy; eнepгiя змши опоpy пepeтвоpюeтьcя в eнepгiю змши eквiвaлeнтноï eмноcтi; eнepгiя змiни е^валентжй eмноcтi в eнepгiю змiни частоти.
Eлeктpичнa cxeмa pозpоблeного paдiовимipювaльно-го частотного пepeтвоpювaчa для вимipювaння на^у-жeноcтi мaгнiтного поля наведена на p^. 3.
Як датчик магштного поля викоpиcтовyeтьcя двоко-лeктоpний бiполяpний мaгнiтотpaнзиcтоp VT1. Частот -ний пepeтвоpювaч yтвоpeно нaпiвпpовiдниковими актив-ними елементами: бiполяpнi тpaнзиcтоpи VT4 (BC847), VT3 (BC857), та польовий тpaнзиcтоp VT2 (BF998).
Ocновою пpиcтpою e aвтогeнepaтоp, yтвоpeний тpaн-зиcтоpною cтpyктypою VT2, VT3 та активною шдуктивн-icтю (VT4, С1, R9). Peзиcтоpи R5-R8 забезпечують pозм-iщeння pобочоï точки тpaнзиcтоpiв на cпaднiй дшянщ ВАХ тpaнзиcтоpноï cтpyктypи. Двоколeктоpний магш-тотpaнзиcтоp ввiмкнeно в cxeмy пepeтвоpювaчa mpa-лельно до тpaнзиcтоpноï cтpyктypи з вiд'eмним опоpом.
Ocкiльки, вольт-aмпepнa xapaктepиcтикa на виxiдниx клeмax частотного пepeтвоpювaчa мae cпaднy дiлянкy, то частотний пepeтвоpювaч виcтyпae гeнepaтоpом елек-тpичниx коливань з певною частотою. ^и впливi зовш-шнього магштного поля на двоколeктоpний магнпшран-зиcтоp, змiнюeтьcя нaпpyгa виxiдного cигнaлy на його колeктоpовi К1. Пpи змш нaпpyги кepyвaння, яка e од-ночacно i нaпpyгою виxiдного етгналу двоколeктоpного мaгнiтотpaнзиcтоpa, змiнюeтьcя чacтотa гeнepaцiï ча^
Частотний
Г-' Магнтна лтза пepeтвоpювaч на бiполяpниx
B=f(U) Двоколeктоpний Ux=f(B) та польовому тpaнзиcтоpax F(B) Чacтотомip
мaгнiтотpaнзиcтоp F(B)=f(Ux)
Pиcyнок 2 - Стpyктypнa cxeмa paдiовимipювaльноIо чacтотноIо пepeтвоpювaчa магштного поля на тpaнзиcтоpнiй cтpyктypi
-Buxiд
иж1
I
Ri
R3
R5
и
R2
К1 VT1 N_
R4
R6
VT2
Ж Т " ч
J¡-3<.
С
R7
VT3
S
<i—i»—к-о-X
RS
VT4
Ci
S
R9
C2-
-С иж2
Pиcyнок 3 - Eлeктpичнa cxeмa paдiовимipювaльноro чacтотноro пepeтвоpювaчa магштного поля на тpaнзиcтоpнiй cтpyктypi
Б-
тотного перетворювача. Таким чином, чим вища напру-жешсть магнiтного поля, тим бiльша частота генерацп вихiдного коливання у радювишрювального частотного перетворювача магнiтного поля з частотним виходом.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЩДЖЕННЯ РДЮВИ-М1РЮВАЛЬНОГО МАГН1ТНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА
За результатами експериментальних дослiджень було побудовано граф^ залежностi частоти генерацп вiд на-пруженостi магнiтного поля (функци перетворення) рис. 4 при рiзних напругах керування.
Як показано на рис. 4, коли на магштний сенсор дiе лише природне магнiтне поле Землi та вiдсутнiй вплив зовшшнього штучного магнiтного поля, то при рiзних напругах керування частотний перетворювач мае рiзнi початковi частоти генерацп. При напрузi керування и к = 1,6 В чутливють приладу максимальна, оскшьки дiапазон змiни частоти на виходi дослiджуваного пристрою становить вщ 900 кГц до 1065 кГц.
При подальшому збiльшеннi напруги керування даа-пазон змiни частоти на виходi становить вiдповiдно для ик = 1,8В вiд 1050 кГц до 1198 кГц, та для ик = 2В-вiд 1150 кГц до 1261 кГц. Таким чином, чутливють пристрою зменшуеться при збiльшеннi напруги керування.
Використовуючи експериментальнi табличнi данi та програму ТаЫеСигуе2В, визначено аналiтичний опис функцп перетворення радiовимiрювального перетворювача на основi бiполярних, польового та магшточутли -вого двоколекторного транзисторiв.
Найбшьш оптимальною е функцiя перетворення
щенти мають наступнi величини: а=-548,14; Ь=2477,5427; с=-1189,9973; й=3405,9786.
Використовуючи програму ТаЫеСигуе2В, було вста-новлено, що вщносна похибка функцп перетворення становить ± 0,5%.
За результатами експериментальних дослщжень побудовано графiк залежност чутливостi радiовимiрювального
перетворювача 5 (В) =
й (^ (В))
йВ
вiд напруженостi магт-
^ (В) = а +-
Ь
1 + ехр
- В + с й
(6)
де В - напружешсть магнiтного поля, а невiдомi коефь
тного поля при напрузi керування и к = 1,6В (рис. 5).
Як показано на рис. 5, чутливють пристрою змiнюеть-ся в залежност вщ рiвня зовнiшнього магнiтного поля. Наприклад, при напруженостi магнiтного поля 100 мТл, чутливiсть пристрою становить 0,1765 кГц/мТл, а при рiвнi поля 1000 мТл - 0,1645 кГц/мТл. При ж^внянт з попередшми результатами, дослщжуваний радювишрю-вальний перетворювач магштного поля на бiполярних та польовому транзисторах мае бiльш лiнiйну залежшсть чутливостi вiд магнiтного поля шж радiовимiрювальний перетворювач, який був дослщжений в [5].
ВИСНОВКИ
У статп дослiджено виникнення iнформативних сиг-налiв у двоколекторному магнiтотранзисторовi при впливi на нього магнiтного поля. Розроблено структур-ну та електричну схему радювишрювального частотного перетворювача магштного поля з частотним виходом.
При використанш розробленого радювишрювально-го частотного перетворювача для вишрювання магштно-го поля, ми в 4 рази тдвищили точшсть вимiрювання на-пруженоста магнiтного поля нiж у випадку застосування для вимiрювання двоколекторного магштотранзистора.
Також експериментально встановлено, що максимальна чутливють даного варiанта радювишрювального перетворювача магнiтного поля становить 0,1765 кГц/мТл. При
Рисунок 5 - Залежшсть чуливост радювимшрювального перетворювача вщ напруженост магштного поля
p-ISSN 1607-3274. Радюелектронжа, шформатика, управлiння. 2016. № 2 e-ISSN 2313-688X. Radio Electronics, Computer Science, Control. 2016. № 2
цьому, вщносна похибка перетворювача не перевищуе +0,5%. При зм1н1 напруженост магштного поля в д1апа-зон1 0 мТл ... 1000 мТл, досягнуто змши частоти вихщного сигналу в д1апазош 900 кГц ... 1065 кГц. Перевагою роз-робленого перетворювача е бшьша лшшшсть характеристики чутливост1, яка змшюеться в межах в1д
0.1765.кГц/мТл до 0,1645 кГц/мТл.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Готра З. Ю. Мiкроелектроннi сенсори фiзичних величин : в 3 т. Т. 3. / З. Ю. Готра - Львiв : Лша-Прес, 2002. - 475 с.
2. Мжроелектронш сенсори магштного поля з частотним вихо-дом: монографiя / [В. С. Осадчук, О. В. Осадчук]; шд ред.
B. С. Осадчука, О. В. Осадчука. - Вшниця : ВНТУ 2013. -254 с.
3. Титце У Полупроводниковая схемотехника. 12-ое издание. В 2-х томах / У Титце , К. Шенк. - М. : ДМК Пресс, 2010. - 828 и 942 с.
4. Minin I. V. Microsensors / I. V. Minin, O. V. Minin. - India, Croatia : InTech, 2011. - 306 p.
5. Осадчук О. В. Радiовимiрювальний перетворювач магштного поля з магштотранзистором та частотним вихщним сигналом / О. В.Осадчук, М. О. Притула , К. О. Коваль // Вюник Хмель-ницького нацюнального ушверситету. - 2015. - № 1. -
C. 102-106.
Стаття надшшла до редакци 21.10.2015.
Шсля доробки 15.02.2016.
Осадчук А. В.1, Коваль К. О.2, Притула М. А.3
'Д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники Винницкого национального технического университета, Винница, Украина
2Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры радиотехники Винницкого национального технического университета, Винница, Украина
3Аспирант кафедры радиотехники Винницкого национального технического университета, Винница, Украина
РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЕ
Решена задача измерения напряженности магнитного поля радиоизмерительным преобразователем магнитного поля на биполярных и полевому транзисторах. Предложено схемотехническое решение радиоизмерительного преобразователя, который обеспечивает преобразование напряженности магнитного поля в частоту электрического колебания, что позволяет повысить чувствительность устройства к напряженности магнитного поля. Проведен эксперимент по исследованию разработанного радиоизмерительного преобразователя магнитного поля. В результате проведенных экспериментов исследовано зависимости выходной частоты и чувствительности устройства от напряженности магнитного поля.
Ключевые слова: радиоизмерительный преобразователь, магнитотранзистор, напряженность магнитного поля, чувствительность.
Osadchuk O. V.1, Koval K. O.2, Prytula M. O.3
'Dr.Sc., Professor, Head of the department of radio engineering, Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine
2PhD, Associate professor, Associate professor of department of radio engineering, Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine
3Graduate student of department of radio engineering, Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine
THE RADIOMEASURING CONVERTER OF THE MAGNETIC FIELD BASED ON TRANSISTORS STRUCTURE
The problem of measuring the magnetic field strength of radio transmitter magnetic field on bipolar and field-effect transistors is solved. The circuit solution of radio measuring transducer is offered. It converts the magnetic field in the electrical oscillations frequency, that improves the sensitivity of the device to the intensity of the magnetic field. An experiment on proposed radio measuring transducer of the magnetic field is conducted. As a result of the experiment, we had the output frequency depending on the sensitivity of the device and the strength of the magnetic field.
Keywords: radiomeasuring converter, magnetic transistor, magnetic field strength, the sensitivity.
REFERENCES
1. Gotra Z. U. Microelectonni sensory fizychnyh velychyn: v 3 t. T. 3. Lviv, Liga-Pres, 2002, 475 p.
2. Osadchyk V. S., Osadchyk O. V.; pid red. V. S. Osadchyk, O. V. Osadchyk. Microelectroni sensory magnitnogo polya z chastotnym vihodom: monographiya.Vinnytsia, VNTU, 2013, 254 p.
3. Tyttse U., Shenk K. Poluprovodnikova shemotichnika. 12-e izdanie. V 2 tomah. Moscow, DMK Press, 2010, 828 and 942 p.
4. Minin Igor V., Oleg V. Minin Microsensors. India, Croatia, InTech, 2011, 306 p.
5. Osadchuk O. V., Prytula M. O., Koval K. O. The radiomeasuring converter of the magnetic field with magnetic transistor and frequency output signal, Herald of Khmelnytslyi national university, 2015, No. 1, pp. 102-106.
