מדוע מגברי CMOS Dominate Modern Sensor Design

מודולים משולבים חיישן תחת בסיס כמעט כל מערכת אלקטרונית בעולם המודרני.מודולים אלה מתרגמים תופעות פיזיות כגון טמפרטורה, לחץ, לחות, אינטנסיביות אור וריכוזים כימיים אותות חשמליים כי מיקרובקרים ומעבדים יכולים לפרש.אלמנטים רגישים עצמם לייצר פלטים חלשים להפליא, לעתים קרובות על סדר microvolts או מ"מבולטים, הדורשים הבהרה זהה לפני דיגיטציה או הפעלה מחדש של חומרת חשמל ייחודי (מתאים) באופן בלעדי של תאים חשמליים).

מערכות חיישן מודרני לפעול תחת מגבלות מחמירות יותר ויותר.מוניטורים רפואיים חייבים לרוץ במשך שבועות על תאי מטבע זעירים, אינטרנט תעשייתי של דברים (IoT) נוודים חייב לשרוד שנים ללא תחליף סוללות, והשתלות רפואיות חייב לצייר כוח רשלני תוך מתן מדידות מדויקות. CMOS מזהה את התכונות האלה תוך מתן רמות גבוהות של אינטגרציה הנדרשת עבור עיצובים קומפקטיים, עלות שלהם עשה אותם ברירת מחדל עבור רכיבי חיישן דיגיטלי אחד מהם לעתים קרובות.

טכנולוגיית ה-CMOS Operational Amplifier

במרכזם, מגבר התפעולי של CMOS משתמשים בזוגות של N-channel ו- p-channels כדי לבנות שלבים קלט שונים, שלבים מגברי גבוה, ו- buffers פלט.בניגוד ל- Buffistor bi קוטבי (BJT) משלבים את אותם בלוקים מיקרו-מלוטיים-מתאים דיגיטליים, אשר מסתמכים על מכשירים מבוקרים נוכחיים, CMOS-mps-מפוס-מפוס-מפוס-מפוס-מדומים הם למעשה מתח בסיסי.

שלב קלט של CMOS mp בדרך כלל מעסיק זוג שונה של MOSFET שנבחרו עבור המאפיינים הרעשים flicker נמוך שלהם.מעצבים לבחור p-channel או n-channel קלט זוגות בהתאם לטווח מתח משותף הנדרש, אופטימיזציה עבור ניתוח איטי של כיתול-להירצה או מתחים ספציפיים של אספקת קוד או משלימים להשיג רווח גבוה ורחב ללא יתרון דומה של קו רוחב פס פתוח כגון גירוי נמוך יותר כמו אופטימיזציה של CM פתוח.

מוקדם CMOS אגד נחשב נרחב איטי ו רועש, אבל תהליכים מודרניים עמוק עמוק עמוק עמוק עמוק עמוק עמוק עמוק עמוק עמוק השתנה תפיסה זו באופן דרמטי. ייצוב צ'ופר וטכניקות אפס אוטומטי עכשיו לאפשר מתחים מתחת 10 מיקרו-וולטים ומשקפי רעש כי מתחמי פרמיה יריבים בדיקות bipolaring.על פי מחקר שפורסם בעבר ב FLT:0IEEE של Solid-statesFLTs, 000 יקר יותר עבור אינטגרציה דיגיטלית של CMIVEs.

יתרונות משמעותיים ב-Sense Signal Conditioning

Ultra-Low Power Con הנחה עיצובים בעלי עוצמה

חיישנים מופעלים על ידי סוללה, מכשירים לאנרגיה-מחדשת, ואלקטרוניקה רפואית מושתלת לא יכולה להרשות לעצמה כמה מילימטרים של quiescent הנוכחי טיפוסי של דגימת דו קוטבית. CMOS באופן טבעי לצרוך רק במהלך האירועים, ואת כוחם סטטי כדי למנוע צינורות של פחמן-פח (Nanop) לטווח ארוך יותר מאשר עיצובים סטנדרטיים של CMOS (או-FD) לטווח ארוך) לטווח הארוך ביותר) מאשר לטווח הארוך ביותר של 50 שנים.

אינפוטציה בלתי נמנעת של אותות

חיישנים עמידים כגון מדפי זנים וגלאי טמפרטורה התנגדות (RTDs) מייצרים מתחים זעירים, בעוד חיישנים קיבוליים כולל meMS accelerometers ו-לחיות לייצר חבילות מטען קטנות. a low-impedance amplifier קלט מדגימים את ה-pexitectsate המדידה הנוכחית של ה-Fateateateates הנוכחי, ובכך גורם אותות הפחתה מדויקת של תמונות.

אינטגרציה מונוליטית מפחיתה את טביעת הרגל ואת העלות

טכנולוגיית CMOS מאפשרת את שיתוף הפעולה של מספר דגימת, קבל מגברי תוכנה, הפניות מתח, ו transceivers אלחוטי על תת-קרקעית אחת.התוצאה היא מודולים שצומצמים מ-PTS המכיל עשרות רכיבים לחבילות חד-חמצני, תוך כדי סימולציות של 2 מ"מ בלבד על ידי 2 מ"מ. A מודרני 9-axis inertial מדידות, לדוגמה, משלבת חיישנים, או CM, או אינטגרטיביים באופן אחר, או מחסנים, או יותר מ-CRMIC.

ביצועים נמוכים שומרים על אותות אינטגרity

אותות חושיים קבורים לעתים קרובות ברעש, והמגבר חייב להציג רעש קטן ככל האפשר. CMOS mp-amps ⁇ ביישומים בתדר נמוך, שבו רעש flicker שולט.הגלימות ו-CompFETs קוברים את התדר 1/F למטה 10 CMOS, מה שהופך CMOS קיימא עבור חיישנים סיסמיים, דיוקים, ECG הקדמיות מחסנים, לאחר מכן מנפחים באופן יעיל של CMOS.

רחב בנדוויד ו Rail-to-Rail המבצע מקסימיזציה של טווח דינמי

CMOS מזהה מוקדם נאבק לספק רווח גבוה בתדרים גבוהים, אבל הדרישות של מערכות רכישה נתונים מהירים מונעות מוצרים מצטברים מעל 50 MHz תוך שמירה על זרמי מיקרואמפ שופכים.מערכות חיישן הפועלות משלבים נמוכים חד פעמיים של 1.8 VAB, דורשות ממריצים אשר טווח מוצפן משותף ופלט ממסילות רכבת.

דרישות עיצוב עבור יישומי חיישן

למרות החוזקות הרבות שלהם, מהנדסים חייבים לנווט כמה נקודות מסחר כאשר בוחרים CMOS דגימה עבור מודול חיישן. Input הטיה הנוכחית, בעוד נמוך מאוד בטמפרטורת החדר, יכול להגדיל את הטמפרטורות גבוהות עקב הפטפטפטה. ב 85 מעלות צלזיוס ומעל, הטיה הנוכחית עשויה לטפס על פיקואמפס או אפילו ננומפים, שעלולה להשפיע על מעגלים בלחץ גבוה.

רעש וולטאג מייצג גורם חשוב נוסף.בעוד ש-CMOS הדגמות המודרניות סגרו את הפער באופן משמעותי, רצפת הרעש התרמית שלהם יכולה להיות מעט גבוה יותר מזה של דגי דו קוטבי שווה בתדרים גבוהים.עבור אות רחב של פס רחב, JFET או biקוט קוטבית יכול להציע יחס אות טוב יותר לרעש, בעוד ש- C-DC אותות קרובים, CMOS c-s amplerometer לעתים קרובות על פני שרשרת קלט, כולל צורך יעיל של מתחים, כולל צורך דבק, כולל דרישות סטנדרטי.

חסינות התערבות אלקטרומגנטית היא גם קריטית בסביבות תעשייתיות ומכוניות. CMOS מזהה יכול לסבול מתיקון RF בשלב קלט, אשר מפצה אותות מחוץ לפסים DC למרבה המזל, ספקים רבים עכשיו לשלב על סינכרון EMI שבבים חיוני כדי להעריך רכיב, מהנדסים צריכים לבדוק את יחס הסירוב של EMI, אשר מציין כיצד זה דוחה רעשים נפוצים כמו 1 CM2 פתוח כדי למנוע חיישנים נמוך יותר מאשר שידורים.

השוואת CMOS עם Bpolar ו JFET Op-Amps

כדי להעריך באופן מלא את נקודות החוזק של CMOS, זה עוזר להשוות אותם ישירות עם טכנולוגיות חלופיות:

  • (FLT:0)Biקוט (BJT) Op-Amps:FLT:1 מכשירים אלה מציעים רעש מתח נמוך מאוד מתחת 1 nV / ⁇ Hz ורווח מאוד פתוח, אבל הם סובלים מזרמים מוטות קלט משמעותיים לעתים קרובות בטווח המיקרואמפ וצריכת חשמל גבוהה יותר.הם מצטיינים ביישומים של קוד נמוך, כגון preamps או במהירות גבוהה photodiode כי הוא בדרך כלל מתח מול CM.
  • (FLT:0)JFET Op-Amps:FearLT:1) המגברים האלה מספקים תנופה בינונית בטווח הג'יאום והטיה הנמוכה בטווח picoamp, עם ביצועים טובים יותר מאשר מכשירים מוקדמים של CMOS. עם זאת, הם לא יכולים להשתלב בקלות עם מעגלים דיגיטליים של CMOS, וגמישות המתח שלהם מוגבלת יותר.
  • (FLT:0 CMOS Op-Amps:FLT:1) מכשירים אלה להכות איזון מצוין של כוח אולטרה נמוך, יכולת אינטגרציה גבוהה וביצוע רעש תחרותי יותר ויותר הם הפכו לבחירה ללכת לבחירה עבור, נייד רב-סנסטור, ויישומים עם חתימה מעורבת ICs שבו המגבר מייצג רק בלוק פונקציונלי אחד בין רבים.

בפועל, עוקב כושר לביש עשוי להשתמש CMOS דגימה כדי לטבול את חיישן photoplethysmography כי חיי סוללה וגודל קטן הם קריטי, בעוד מקדמה מיקרופון ברמה מעבדה עדיין יכול להסתמך על דגי דו קוטבי עבור ביצועים רעש האולטימטיבי. עבור עיצובים תעשייתיים בינוניים רבים, העלות הנמוכה יותר וחבילה קטנה יותר של CMOS-amps מעל היתרון שולי של התקנים דו קוטביים, עושה שימוש אופטימיזציה של בחירת דו קוטבית.

המונחים: Application Landscape

אוטומציה תעשייתית ורשתות חיישנים

רשתות החיישן של המפעל חייבות לעמוד בתנודות טמפרטורה רחבות ורעש חשמלי תוך הפעלת שנים מסוללה בעלות נמוכה או מקור אנרגיה-הארכוס אנרגיה. CMOS מזהה במדרים בלחץ וחיישנים קרביים לעתים קרובות להעסיק 4-20 מ"א עיצובים מופעלים שבו כל מחזור ה-IoT הנוכחי נשאר מתחת ל- 4 mA. מיקרוצ'יפ סדרה MCP6, למשל, מספק רק CMOS חד-חמצני מהיר עם טווחי ראייה קבוע של תאים:

מכשירים רפואיים ו- Wearable Health Monitor

אלקטרוקרדיוגרם (ECG) מגבר, אלקטרונספלולוג (EEG) מגבר, וחיישנים הדופק oximeter דורשים הן דחייה נפוצה גבוהה ודליפה זניחה נוכחית כדי למנוע מזעזע את המטופל או מעוות את הפוטנציאלים של microvolt-bit-pine ב- CMOS-mps המשולב עם מומנטום הנכון להזיז ומגן מבטיח שתי בהירות גבוהה של לחץ דם נמוך יותר מתואמים את רמת ה-ה של לחץ דם של תאים אלה.

מערכות חיישן רכב

כלי רכב מודרניים לארוז מעל 100 חיישנים החל מחיישנים בלחץ מוחלטים ממניפולים למקבלי LiDAR.תחת טמפרטורות מתחת לגיל 125 מעלות צלזיוס, ומסילות אספקה נושאים טרנסים גדולים. CMOS-amps מסווגים לעמוד בתקן הסמכה AEC-Q100, חייב לשמור דיוק למרות תנאים קשים אלה.

מוצרי חשמל חכמים ומכשירי בית חכמים

ממיקרופונים של MEMS ברמקולים חכמים לחיישנים מגע קיבולי בסמארטפונים, CMOS Op-ampancy מאפשר את הסוללות הקדמיות אנלוגיות ב קומפקטיות, בעלות רגישות לצורות.המיקרופון preamplifier IC לעתים קרובות כולל גנרטור הטיה מטען מטען-pump ו- CMOS buffer פחות מ-ACMOS buffer כי ישירות ADC.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

כמו האינטרנט של הדברים מניעים דרישה אפילו יותר כוח ואינטגרציה גבוהה יותר, CMOS Op-amps ימשיכו להתפתח. טכניקות עיצוב sub-threshold לדחוף מתחים תפעוליים מתחת ל-0.5 V, המאפשרים כוח ישיר מתאים סולאריים בודדים או גנרטורים תרמואלקטריים. טכנולוגיות אריזה מתקדמות כגון חבילות בגודל שבב מהירויות בגודל Wfer-class ממזגות את האלמנט ומגבר לתוך מודול בודד פחות מ- mc-co-upt של שילוב לייזר דיגיטלי, או נמוך מ-upt.

אולי ההתפתחות המרגשת ביותר היא ההתכנסות של מעגלים אנלוגיים של CMOS עם למידת מכונה בקצה. על שבב חיישן היתוך מעבדים עכשיו להשתמש במערך של CMOS אמפים בו זמנית האותות מעצימות וקדם-מעבד לפני האכלה של רשת עצבית מאיץ רשת, הכל באותו ימות.אדריכלות זו כבר ניכרת במחוות פעילות קול תמיד על גבי מודעות IC.

שיקולים של אחריות ו- eco-design משפיעים גם על בחירת הדגה. יצרנים מפרסמים כעת הערכות מפורטות של מחזור חיים ומציעים חבילות ללא מטרות, ללא halogen-free, היכולת של CMOS או הדגמות לפעול ביעילות ולהרחיב את חיי הסוללה באופן ישיר תורמת לצמצום הפסולת האלקטרונית, גורם שרק יגדל בחשיבותו של מוצר בעל מודעות סביבתית.