Optical frequency transducer based on dual-gate MOSFET with an active inductive element

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorOsadchuk, Alexandr V.
dc.contributor.authorOsadchuk, Vladimir S.
dc.contributor.authorSeletska, Olena O.
dc.contributor.authorKrylik, Lyudmila V.
dc.date.accessioned2020-11-18T21:04:12Z
dc.date.available2020-11-18T21:04:12Z
dc.date.issued2017
dc.description.abstractenBackground. A perspective trend in the development of optical radiation transducers is using of dependencies of reactive properties of semiconductor transistor structures with negative resistance on optical radiation effect and creation of frequency optical radiation transducers on the basis of these properties. Application of optical-frequency transformation enhances noise stability, accuracy and enables to expand a measuring range, to obtain outputs higher than amplitude ones and to improve metrological performances of the transducers. Using frequency as an informative parameter allows excluding the analog-to-digital transducers during information processing, and reducing the cost of monitoring and control systems. The principle of “optical power frequency” transformation can be implemented using semiconductor structure containing self-sustained oscillator and photoresistor as a photosensitive element. Active inductance resolves the problem of low quality factor inherent in the passive inductor. Furthermore, it overcomes compatibility issue of passive inductor's size with the integrated circuit's sizes and allows completely making transducer as an integrated circuit. So, it is necessary to construct a mathematical model of the optical frequency transducer to analyze its properties and to obtain the dependencies of active and reactive components of the impedance of the semiconductor structure, the equation of sensitivity and the transfer function. Objective. The aim of the paper is to determine the transfer function and equation of sensitivity for optical transducer with an active inductive element by solving Kirchhoff’s system of equations composed for equivalent circuit of the transducer. Methods. The determination of the transistor structure impedance was made by solving the Kirchhoff’s system of equations, composed for equivalent circuit of frequency optical transducer. The characteristics describing dependencies of reactive and active components of the oscillator’s impedance on optical power were obtained by computer simulation using the MATLAB numerical computing environment. Results. The mathematical model for description of the properties of frequency optical transducer with an active inductive element was developed. The transform function and relative sensitivity analytical equations were estimated to describe the action of transducer. The values of relative sensitivity are equal to 2 – 11.5 kHz/ μWt/cm2. Accuracy of developed mathematical model is ±5%. Conclusions. The optical transducer with an active inductive element has a high sensitivity in the range of low values of optical power. It makes possible to measure even low optical signals. Proposed model describes the dependence of the impedance of the transistor structure – which is basic for the transducer – on power of optical radiation.uk
dc.description.abstractruПроблематика. Перспективным направлением развития преобразователей оптического излучения является использование зависимости реактивных свойств полупроводниковых транзисторных структур с отрицательным сопротивлением от воздействия оптического излучения и создание частотных преобразователей оптического излучения на основе этих свойств. Использование оптико-частотного принципа преобразования повышает помехоустойчивость, точность, позволяет получить значительно большие выходные сигналы в сравнении с амплитудными преобразователями и улучшить метрологические показатели преобразователей. Использование частоты как информативного параметра исключает использования аналого-цифровых преобразователей во время обработки информации, снижает себестоимость систем контроля и управления. Преобразование «мощность оптического излучения частота» возможно реализовать с помощью полупроводниковой структуры, содержащей автогенераторное устройство реализованное в виде схемы, состоящей из двухзатворных МДП-транзисторов и фоторезистора в качестве фоточувствительного элемента. Использование активной индуктивности в такой структуре решает проблему низкой добротности пассивной индуктивности и несовместимости ее размеров с размерами интегральных микросхем и, соответственно, дает возможность реализовать оптический преобразователь в интегральном исполнении. Для изучения свойств частотного оптического преобразователя необходимо разработать математическую модель, с помощью которой получают зависимости, активной и реактивной составляющих полного сопротивления структуры, чувствительности и частоты генерации от мощности оптического излучения. Цель исследований. Целью работы является определение функции преобразования и уравнения чувствительности преобразователя решением системы уравнений Кирхгофа, составленной на основе его эквивалентной схемы. Методика реализации. Определение полного сопротивления транзисторной структуры проводилось путем решения системы уравнений Кирхгофа, составленной для эквивалентной схемы частотного оптического преобразователя. Характеристики, описывающие зависимости реактивной и активной составляющей полного сопротивления автогенераторного преобразователя от оптической мощности, были получены путем компьютерного моделирования с помощью математического пакета MATLAB 8.1. Результаты исследований. Разработана математическая модель, необходимая для описания свойств оптического частотного преобразователя с активным индуктивным элементом. На основе модели получены аналитические выражения для преобразования и уравнение чувствительности. Теоретические и экспериментальные зависимости показали, что чувствительность разработанного оптического преобразователя равна 2-11,5 кГц/мкВт/см2. Погрешность разработанной математической модели составляет ±5%. Выводы. Оптический преобразователь с активным индуктивным элементом имеет высокую чувствительность в диапазоне низких значений оптической мощности. Это дает возможность измерять даже слабые оптические сигналы. Предложенная модель описывает зависимость полного сопротивления транзисторной структуры, что лежит в основе преобразователя, от влияния мощности оптического излучения.uk
dc.description.abstractukПроблематика. Перспективним напрямком розвитку перетворювачів оптичного випромінювання є використання залежності реактивних властивостей напівпровідникових транзисторних структур з від’ємним опором від впливу оптичного випромінювання та створення частотих перетворювачів оптичного випромінювання на основі цих властивостей. Використання оптико-частотного принципу перетворення підвищує завадостійкість, точність, дає змогу отримати значно більші вихідні сигнали ніж дають амплітудні перетворювачі та покращити метрологічні показники перетворювачів. Використання частоти як інформативного параметру виключає використання аналого-цифрових перетворювачів під час обробки інформації, що понижує собівартість систем контролю та управління. Перетворення «потужність оптичного випромінювання частота» можливо реалізувати за допомогою напівпровідникової структури, що містить автогенераторний пристрій, реалізованого у вигляді схеми, що складається з двозатворних МДП-транзисторів і фоторезистора в якості фоточутливого елемента. Використання активної індуктивності в такій структурі вирішує проблему низької добротності пасивної індуктивності та несумісності її розмірів з розмірами інтегральних мікросхем і, відповідно, дає можливість реалізувати оптичний перетворювач у інтегральному виконанні. Для вивчення властивостей частотного оптичного перетворювача необхідно розробити математичну модель, за допомогою якої отримують залежності, активної та реактивної складових повного опору структури, чутливості та частоти генерації від потужності оптичного випромінювання. Мета досліджень. Метою роботи є визначення функції перетворення та рівняння чутливості перетворювача шляхом розв’язку системи рівнянь рівнянь Кірхгофа, складеної на основі його еквівалентної схеми. Методика реалізації. Визначення повного опору транзисторної структури проводилося шляхом розв’язування системи рівнянь Кірхгофа, складеної для еквівалентної схеми частотного оптичного перетворювача. Характеристики, що описують залежності реактивної та активної складової повного опору автогенераторного перетворювача від оптичної потужності, були отримані шляхом комп'ютерного моделювання за допомогою математичного пакету MATLAB 8.1. Результати досліджень. Розроблена математична модель необхідна для опису властивостей оптичного частотного перетворювача з активним індуктивним елементом. На основі моделі отримано аналітичні вирази для функції перетворення та рівняння чутливості. Теоретичні та експериментальні залежності показали, що чутливість розробленого оптичного перетворювача 2 - 11,5 кГц/мкВт/см2. Похибка розробленої математичної моделі становить ±5%. Висновки. Оптичний перетворювач з активним індуктивним елементом має високу чутливість у діапазоні низьких значень оптичної потужності. Це дає можливість вимірювати навіть слабкі оптичні сигнали. Запропонована модель описує залежність повного опору транзисторної структури, яка лежить в основі перетворювача, від впливу потужності оптичного випромінювання.uk
dc.format.pagerangePp. 61-68uk
dc.identifier.citationOptical frequency transducer based on dual-gate MOSFET with an active inductive element / Alexandr V. Osadchuk, Vladimir S. Osadchuk, Olena O. Seletska, Lyudmila V. Krylik // Information and telecommunication sciences : international research journal. – 2017. – Vol. 8, N. 2(15). – Pp. 61–68. – Bibliogr.: 12 ref.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/2411-2976.22017.61-68
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/37479
dc.language.isoenuk
dc.publisherNational Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”uk
dc.publisher.placeKyivuk
dc.sourceInformation and telecommunication sciences : international research journal, 2017, Vol. 8, N. 2(15)uk
dc.subjectoptical transducersuk
dc.subjectfrequency transducersuk
dc.subjectnegative resistanceuk
dc.subjectphotoresistoruk
dc.subjectоптичні перетворювачіuk
dc.subjectчастотні перетворювачіuk
dc.subjectвід’ємний опірuk
dc.subjectфоторезисторuk
dc.subjectоптические преобразователиuk
dc.subjectчастотные преобразователиuk
dc.subjectотрицательный сопротивлениеuk
dc.subject.udc681.586.776:621.382uk
dc.titleOptical frequency transducer based on dual-gate MOSFET with an active inductive elementuk
dc.title.alternativeОптичний частотний перетворювач на основі двозатворних МOН-транзисторів з активним індуктивним елементомuk
dc.title.alternativeОптический частотный преобразователь на основе двухзатворных МOН-транзисторов с активным индуктивным элементомuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
ITS2017_8-2_p61-68.pdf
Розмір:
867.57 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Information and telecommunication sciences: international research journal, Vol. 8, N. 2(15)