ويعد تصميم أجهزة مضخة تعمل ذات قوة منخفضة شرطا أساسيا لشبكات أجهزة الاستشعار ذات القدرة البطارية، وتنشر هذه الشبكات في بيئات تكون فيها البطاريات مكلّفة أو غير عملية - محطات رصد البيئة، والزوارق الزراعية، وأجهزة تعقب الأصول الصناعية، والأجهزة الصحية القابلة للارتداء، وتعتمد جميعها على أشهر أو سنوات من التشغيل غير المجهز.

Understanding Power Consumption in Op Amps

استهلاك الطاقة من المواد الخاملة هو ناتج مجموع إمداداته الحالية (I) المجموع ) وفولط العرض (V]S )

Quiescent Current (I)Q)

(أ) إذا كان الـ (أ) يُستخدم في الـ (أ) في الـ (أ) في الـ (أ) في الـ (أ) في الـ (أ) في الـ (أ) (الـ (أ) في الـ ((أ)) (الـ ((أ)))) (الـ ((أ))) في الـ ((أ))) ((ب)))

الإمداد الحالي ضد شركة Load Current

وعندما تقود عملية التنظيف هذه حمولة - مثل مدخلات شركة ADC أو شبكة تصفية - يجب أن توفر مرحلة الإنتاج تيارا إضافيا، وهذا التيار يتناسب تقريبا مع تقلبات الإنتاج التي تقسمها مقاومة الحمولة، وفي شبكات الاستشعار، كثيرا ما تكون الحمولات عالية الاحتمال )مثل ١٠ ميغاواط من مدخلات شركة ADC( لإبقاء هذه المصممة حاليا غير مهمة.

Dynamic vs. Static Power

وفي بعض النظم، يتحول هذا المقياس بين الدول الناشطة والدول النائمة، ويحدث استهلاك الطاقة الديناميكية أثناء الانتقال وعندما يقوم المضخم بتجهيز إشارات فعالة، وفي شبكات الاستشعار ذات الدراجة المنخفضة حيث يعمل المضخم لبضعة مليارات لكل قياس، يمكن أن يكون متوسط الطاقة أقل بكثير من الطاقة النشطة، مما يجعل الدعم لطرق الاستيقاظ والغلق سريعة أمرا بالغ الأهمية.

الاستراتيجيات الرئيسية للتصميمات الخاصة بدائرة العمليات ذات القدرة المنخفضة

ولا يشكل اختيار مشهد مناسب إلا جزءا من الحل، ويجب أن تُستفد إلى أقصى حد ممكن من ظروف علم الطبقات المحيطة وأحوال التشغيل لتحقيق الإمكانات الكاملة لجهاز منخفض الطاقة.

Op Amp Selection Criteria Beyond IQ]

  • Gain Bandwidth Product (GBW):] Ultra-low-power op amps typically have GBW in the range of a few kHz to a few hundred kHz. Choose a tool whose bandwidth is sufficient for the signal frequencies of interest. Overspecifying GBW forces higher internal bias currents, T.]
  • Input Offset Voltage and Drift:] Low-power designs often use precision resistanceors and feedback networks. A large input compensate may require additional amplification stages, add power. look for parts with compensate below 1 mV and low turn for stable performance over temperature.
  • Rail-to-Rail Input/Output (RRIO): ] For low supply voltages, RRIO capacity maximizes signal temp without needing extra rail components. This is especially important when operating from a single 1.8 V or 3.3 V supply.
  • Shutdown Pin Availability:] Many low-power op amps include a shutdown fat that reduces I]Q] to nanoamps when the tool is idle. This is essential for bat-powered designs that use duty cycling.

الإمداد بالفولط الأمثل

إن استخدام أدنى كمية من الفولطية التي لا تزال تلبي الاحتياجات من المدخرات المشتركة والمستلزمات المؤقتة للنواتج هو وسيلة مباشرة لتخفيض الطاقة، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُستمد جهاز الاستشعار الذي يحتوي على ناتج يتراوح بين صفر و2.5 V من جهاز توجيهي لا يتجاوز 5 V، مع العلم بأن نصف عدد المواد الأفيونية الرئيسية يبلغ حوالي 2.5 مترا، إذا كان الناتج من طراز VmpV يتطلب حدا أقصى من غرفة العرض.

Bandwidth Limiting

(ب) إذا كان بإمكان مجموعة من أجهزة الترددات غير الضرورية أن تُستخدم في شكل ضوضاء وزيادات في التيار الترددي، فإن العديد من أجهزة التردد المنخفض تسمح بإجراء تعديل على نطاق الترددات من خلال مكثف خارجي (في أجزاء من مُنحة) أو بوضع مكثف صغير في شبكة التغذية المرتدة من أجل إنشاء جهاز تصفية منخفض.

بطاقــة التغييــر و الواجب

في شبكات الاستشعار، فترة القياس أطول بكثير من الوقت اللازم للقراءة، جهاز استشعار الغاز العادي أو مسرطات التربة قد يحتاج إلى 10 أمتار من العينات النشطة كل 10 دقائق، خلال 599.99 ثانية، يمكن أن يتم تشغيله بالكامل،

التخفيف من حدة الآثار الضارة

إن قيم التقويم في شبكة التغذية المرتدة يجب أن يتم اختيارها بعناية، المقاومون ذو القيمة العالية (مثلاً، متحيّز واحد) يخفضون السحب الحالي، ولكن يزيدون الضوضاء الحرارية وقابلية التسرب من التلوث بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وأجهزة مقاومة منخفضة القيمة تحسن من الحصانة الضوئيلة، و تزيد من التحيز الحالي، وتحدّث الإشارات المتدنية إلى حدٍّ أدنى 100 كيلو متر،

التقنيات المتقدمة من أجل الطاقة المنخفضة

عندما يحسب كل ميكرومتر، يمكن استخدام تقنيات أكثر عدوانية.

عملية القبض على الأفراد

Some op amps are designed to operate in the sub-threshold region of their internal transistors, where the drain current decreases exponentially with gate voltage. This operation yields IQ in the nanoamp range, but at the cost of significantly reduced GBW, slew rate, and increased noise.

تقنيات متبادلة للمشاكل

ويخفض عدد المضخمات ذات القدرة البديلة السحب المستمر من خلال شحن وتفريغ المكثفات الصغيرة بمعدل أخذ العينات، وهي تستخدم عادة في البلدان النامية، ولكنها يمكن استخدامها أيضا كنقطة واجهة متماثلة، وتُستخدم جداول الطاقة بشكل متمشي مع التردد المبدل، مما يتيح المبادلات بين السرعة والكهرباء، غير أن أجهزة تحويل القدرة على الدفع تتطلب مشغلا على مدار الساعة(39).

مكافحة بياس التكيف

في بعض التطبيقات، تتفاوت الإشارة ببطء، ودائرة التحيز التكييفية يمكن أن تزيد من سرعة التيار المملح فقط عندما يتم اكتشاف إشارة أكبر، وتخفضها عندما تكون الإشارة صغيرة، وهذا أمر يُصعب تنفيذه بمكونات مُتفرقية، ولكن متاح في بعض المضخمات الذكية المتكاملة، وبالنسبة للتصميمات الجمركية، يمكن للجهاز الاكتشاف المُسعفّل البسيط أن يتحول بين البيوتر العالية والوسّم المُسْسْسْسْسْتُمْتُ.

الاعتبارات العملية للتصميم بالنسبة لشبكات الاستشعار

وفوق المشهد نفسه، يجب أن تُحدَّد سلسلة الإشارات بأكملها على النحو الأمثل.

نوع البطارية وتنظيمها

"الـ "إف تي" يُؤثر على كل من الفولط والطاقة المتاحة، مثلاً، خلية عملة "دي آر 2032" تقدم 3 "في" و225" ميغاه، بينما يُقدّم ألف ألفاً 5.5 متراً، و525 متراً مربعاً، و5 كيلو مترات"

Integrity vs. Power Trade-off

وتنتج أجهزة الاستنشاق ذات القدرة المنخفضة عموماً ضوضاء أكثر من نظيراتها ذات القوى العالية، ويمكن أن تتدهور نسبة الإشارة إلى الأرقام في واجهة الاستشعار إذا لم تدار الضوضاء.

  • -التخطيط و التغليف في جهاز التحكم بالمايكروولر لتقليل نطاق الضوضاء
  • إضافة مرشح سلبي من طراز RC منخفض التجويف قبل المضخم (الذي لا يستهلك الطاقة).
  • Choosing an op amp with a low noise density (nV/√Hz) even if IQ] is slightly higher — the increase in I]Q] is often worth the SNR improvement.

فعلى سبيل المثال، يقدم برنامج ADA4051 من أجهزة الأنالوك 1.2 ميكروناً من طراز IQ] وضوضاء يبلغ 160 نانو ف/نهر/هرتز في 10 هرتز، في حين أن الـ LT6010 (نبائيات الأناسول) تسحب 60 ميكروناً، ولكنها تقدم 10 خامات/سنت، وإذا كان الحساساً بدرجة أعلى (مثل 16)

نم موديس و مصاريف إيقاظ

إن دمج أساليب النوم يتطلب تنسيقا دقيقا مع المتحكم في الميكروفون، يمكن التحكم في دبوس إيقاف تشغيله بواسطة خط GPIO، ولكن عندما يتم إغلاق المقطع، يمكن أن يتحول الناتج إلى حالة عالية، وإذا كان الناتج مرتبطا بمقياس للجهات المتناهية الصغر، فإن مدخلات شركة ADC ينبغي أن تكون معزولة لمنع التسرب، كبديل، مفتاح للربط بين السلاسل (مثل، مطحمول).

العنصر: اختيار الموثوقية

وكثيراً ما تعمل شبكات أجهزة الاستشعار ذات القدرة المنخفضة على نطاق واسع من درجات الحرارة (مثلاً، في الهواء الطلق من 40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية) كما أن المكونات السلبية مثل المكثفات والمقاومات تسرب المياه تزيد بدرجة الحرارة، وينبغي استخدام أجهزة الاستنشاق بالأشعة السيكولوجية ذات الأشعة الفوقية القصوى أو الأشعة السينية (C0G) التي تخفف من التلوث بالضوضاء السطحي وغير المناسب.

مثال: تصميم جهاز الاستشعار بين الوجوه التابع لذوي القوة المنخفضة

ولتوضيح هذه المبادئ، النظر في عقد بيئي مجهز بالبطارية يقاس درجة الحرارة كل خمس دقائق، والمجس هو جهاز حرق في تشكيلة منقّدة فولتاجية، ويعالَف الناتج ويُغْطَف قبل تغذية مفاعلات تعمل بالبطارية من عيار 12 مدمجاً مدمجاً في جهاز متناهي الصغر منخفض الطاقة (مثلاً STM32L0 أو EFM32).

  • Op amp selection:] OPA392 (I]Q] = 1 ميكروناً، GBW = 13 كيلوهرتز، RRIO، دبابة إغلاق.
  • Supply voltage:] 2.5 V from a CR2477 coin cell (3 V nominal with a low-I]Q LDO) or direct if using 3.3 V micro with op amp powered from the same rail.
  • Bandwidth:] Thermistor signal changes slow (0.1 Hz). Add a 10 k / 10 kiF RC filter at the output (time constant 100 s, cutoff 0.016 Hz) to reduce noise. No need for higher bandwidth.
  • Feedback resistors: ] 100 k لغاية كسب 2 (مع 100 كيلو متر آخر)، وهذا يبقي في الوقت الراهن من خلال شبكة التغذية المرتدة عند 25 ميكروغرام ألف عند 2.5 ناتج خامسا - وهو في الواقع أكبر من الزيادات المقبولة لدى المكفوفين I]Q.
  • * يستيقظ المتحكم في الميكروفونات كل 5 دقائق ويطالب بـ " GPIO " لتمكين " (الضغط العالي) " ، وبعد 5 أمتار، يستقر " ، يقرأ " الرقم القياسي الإجمالي للترددات غير المباشرة " (المعدل الحالي للتغذية) " 0,3: 1 ميكروغرام " ، ويغلق بعد أن يبلغ متوسط التراكم الحالي 100.3 في المائة في المائة في المائة في المائة في المتوسط.
  • Battery life estimate:] With a 1000 mAh bat (e.g., two AA alkaline in series), the analog front end alone would last over 1 million hours (114 years). In practice, the microcontroller and sensor will dominate, but the op amp circuit is no longer the bottleneck.

أدوات وموارد تصميمات تجهيزات تجهيزات تجهيزات تجهيزات تجهيزات منخفضة القدرة

(ب) الافتراضات: (المقياس) [المقياس المرجعي]: [المقياس المرجعي]:

خاتمة

ونظرا لأن تصميم أجهزة قياس ذات قوة منخفضة لشبكات أجهزة الاستشعار ذات القدرة البطارية يتطلب نهجا شاملا يبدأ باختيار مضخم مناسب ويستمر من خلال زيادة درجة الحرارة العالية، ودرجة التحيز، والتحيز، ودرجة التقلب، ودرجة الارتفاع، ودرجة الارتفاع، ودرجة الارتفاع، ودرجة الارتفاع التي يمكن الاعتماد عليها، فإن المهندسين يمكن أن يخلقوا أرقاما متماثلة من حيث الدقة.