עיצוב מעגלים אדמירטור תפעוליים בעלי כוח נמוך (op amp) הוא דרישה בסיסית עבור רשתות חיישן מופעל סוללות.רשתות אלה פרוסות בסביבות שבו החלפת סוללות הוא יקר או לא מעשי - תחנות ניטור סביבתיות, צמתים של IoT חקלאיים, נתבים נכסים תעשייתיים, ומכשירי בריאות לב כל תלויים חודשים או שנים של פעולה לא מושכת.

הבנה של צריכת חשמל ב-Ops

(א) צריכת החשמל של אמפ היא תוצר של זרם האספקה הכולל שלה (IFLT:0toentialph 1:1) ומתח האספקה (VirFLT:2SentiFLT 3: 3) לאספקת הכולל יש שני מרכיבים עיקריים: quiescent הנוכחי (IFLT:4QFLT:5) ופלט נוכחי עם עומס, למזער את המהנדסים, שניהם חייבים למזער את היכולת.

(ב) ⁇ (IIRLT:0)

(הנוכח) הוא זרם ה-Emp שואב כאשר אין אות נוכח והפלט הוא idle.Itpowerating the Internal הטיות Circlery, differential קלט שני, ולהשיג שלבים.O amps לעתים קרובות מסווגים על ידי IFLT:0Qua הפעלה ראשונה של 45QFLT 1: FLT-Flow-Power-FLT 3, פחות מ-Aμi5=A {\displaystyle 1=F {i}}

המונחים: mit right today

כאשר ה-Amp מניע עומס - כגון קלט ADC או רשת סינון - שלב הפלט חייב לספק זרם נוסף. זרם זה הוא בערך פרופורציה למתח הפלט מחולק על ידי התנגדות העומס. ברשתות החיישן, העומסים הם לעתים קרובות תנופה גבוהה (למשל, 10 M Designer ADC קלטות) כדי לשמור על הנימוק הנוכחי הזה.

דינמי לעומת Static Power

במערכות מסוימות, ה- mp עובר בין מצבים פעילים ושינה. צריכת חשמל דינמי מתרחשת במהלך מעברים וכאשר המגבר הוא אותות עיבוד פעיל. ברשתות חיישן מחזור נמוך שבו המגבר פעיל רק כמה מ"תות למדידה, הכוח הממוצע יכול להיות נמוך בהרבה מהכוח הפעיל.

אסטרטגיות עיצוב מפתח עבור מעגל נמוך כוח או Amp

בחירת mp מתאים הוא רק חלק מהפתרון.הטופולוגיה המעגלית שמסביב ותנאי התפעול חייבים להיות אופטימיזציה כדי לממש את מלוא הפוטנציאל של מכשיר כוח נמוך.

אופוס Amp Selection קריטריה Beyond IvyFLT:0QuaFLT 1

  • (FLT:0)Gain Bandwidth Product (GBWir): 1 Ultra-low-power ⁇ s בדרך כלל יש GBW בטווח של כמה kHz לכמה מאות kHz.בחר מכשיר רוחב הפס שלו מספיק עבור אותות של עניין. overspecifying GBW כוחות גבוה יותר של הטיה פנימית, הגדלת IFLT2QFLT3:2QFLT3,
  • (FLT:0) Input Offset Voltage ו Drift:cioFLT ( 1:1 נמוך עיצובים לעתים קרובות להשתמש מתנגדים דיוק רשתות משוב. a גדול ccupt יכול לדרוש שלבים נוספים, הוספת כוח.
  • (FLT:0)Rail Input/Output (RRIO): ההרחבה 1 למתחי אספקה נמוכים, יכולת RRIO ממקסמת את התננדה האות מבלי צורך ברכיבי רכבת נוספים.
  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אופטימיזציה ל-Volage

צריכת חשמל בקנה מידה ליניארי עם מתח אספקה.שימוש במתח הנמוך ביותר שעדיין עומד בטווח ה-mode המשותף ודרישות נדנדה פלט הוא דרך ישירה להפחית את הכוח.לדוגמה, חיישן עם פלט 0-2.5 V יכול להיות מופעל מ- 2.7 רגולטורי V ולא 5 V, חיתוך כוח על ידי כמעט מחצית.עם זאת, להיות מודע לבעיות חדר הראש: אם ה- mp דורש ראש של 200V מ-2.7 מטר ניתוח חיוני ל-2.7 מ- V.

המונחים: Limiting

רוחב פס בלתי פוסק מזמין רעש ומגדיל את הזרם הניכרת.הרבה משככי כוח נמוך מאפשרים התאמה רוחב פס באמצעות מחי פיצוי חיצוני (בחלקים ממותגים) או על ידי הצבת קיבול קטן ברשת משוב כדי ליצור מסנן נמוך של 13WPA בלבד מעל אות הריבית הגבוהה ביותר (למשל, 100 עבור טמפרטורה) ולהפחית את ה- 1GB של 1K2 (A) ל- 1GB בלבד, רק מעל להפחתה של 1K2 ליטר נמוך יותר מ-A) ל- 1V1.

כוח GING ו- Duty Cycling

ברשתות החיישן, מרווח המדידה הוא לעתים קרובות הרבה יותר זמן הנדרש כדי לקרוא. חיישן גז טיפוסי או בדיקת לחות הקרקע עשוי להיות צורך 10 מ"מ של דגימה פעילה כל 10 דקות. במהלך ה-idle 599.99 שניות, את ה- mp יכול להיות מופעל לחלוטין למטה. Power gating יכול להיות מיושם בשתי דרכים: שימוש בסימון ההשבתה על mp יחיד, או באמצעות צמצם חיצוני נמוך לאספקת ה-FST תלוי לעתים קרובות על ידי ניתוק.

אופטימיזציה של Basing and Feedback Optimization

ערכים Resistor ברשת משוב חייב להיות שנבחר בקפידה. High-value מתנגד (למשל, 1 M ⁇ ) להפחית את המגירה הנוכחית אבל להגדיל רעש תרמי ורגישות כדי להדליף זרמים מ- PCB. מתנגדים לערכים נמוכים לשפר את חסינות הרעש אבל להגביר את ההטיה הנוכחית. a טיפוסי עבור אותות נמוכים ⁇ ted ל 100 k ⁇ ל 1 מול מולטי, אם החיישן עצמו הוא גבוה, כמו גם למנוע את אותה רמה מוגבלת של סימטרית של תצורה.

טכניקות מתקדמות לכוח נמוך קיצוני

כאשר כל מיקרו-אמפ נחשב, ניתן להשתמש בטכניקות אגרסיביות יותר.

מבצע ה-U-reshold

חלק מהתופעות נועדו לפעול באזור התת-קרקעי של הטרנסיסטורים הפנימיים שלהם, שבו זרם הניקוז יורד באופן אקספוננציאלי עם מתח שער.הפעולה זו מניבה IFLT:0QuaFLT:1 בטווח ננואמפ, אך בעלות של לחות מופחתת באופן משמעותי GBW, קצב מזחלות, ורעש מוגבר, כגון ה- LPV1ird ממכשירים מ-NQ2, כלומר: kbsp; kens=R.

טכניקות פאס-קפיטור

מגברי שבבים ממריצים להפחית את ההמראה הנוכחי המתמשך על ידי טעינה וניתוק קיבולים קטנים בקצב הדגימה.הם משמשים בדרך כלל ב- ADCs אבל ניתן גם להיות מועסקים כמו קצה החזית האנלוגי.מאזני הכוח אופטימיזציה ליניארית עם תדירות המעבר, המאפשרים חילופי מסחר בין מהירות וכוח.

בקרה Bas

ביישומים מסוימים, אות amplitude משתנה לאט. מעגל הטיה הסתגלות יכול להגדיל את זרם ה ⁇ של mp רק כאשר אות גדול מזוהה, ולהפחית אותו בחזרה כאשר האות הוא קטן.זה מאתגר ליישם עם מרכיבים דיסקרטיים אבל זמין כמה מגברות חכמות משולב. עבור עיצובים מותאמים אישית, גללאת קטנה יכול לעבור בין מבולות גבוהות ושפל נמוך ממותק באמצעות ממותק קטן.

שיקולים עיצוביים מעשיים עבור רשתות חיישן

מעבר למזיף עצמו, יש להתאים את כל שרשרת האותות.

סוללת Type ו- Voltage Regulation

(הבחירה של הכימיה של הסוללה משפיעה הן על המתח והן על היכולת הזמינה.לדוגמה, תא מטבע CR2032 מספק 3 V ו-225 mAh, בעוד AA alkaline מספק 1.5 V ו- 2500 mAh. הרבה משככי כוח נמוך פועל מ-1.8 V ל-5.5 V, כך גם מהפך צעד או צעד לאחור עשוי להיות נחוץ.

אותות אינטגרליות לעומת כוח סחר-off

מגברי כוח נמוך מייצרים בדרך כלל רעש יותר מאשר עמיתיהם בעלי הכוח הגבוה יותר.יחס אות-לכאורה (SNR) של ממשק החיישן יכול להפיג אם רעש אינו מנוהל.אסטרטגיות כוללות:

  • Oversampling ו averaging במיקרובקר כדי להפחית את רוחב הפס של רעש.
  • הוספת מסנן פסיבי נמוך RC לפני המגבר (אשר אינו צורב כוח).
  • בחירת אמפ עם צפיפות רעש נמוכה (nV / ⁇ Hz) גם אם IFillo:0.QQFLT:1 הוא מעט גבוה יותר - העלייה ImiaFLT:2QuaFLT 3: 3 הוא לעתים קרובות שווה שיפור SNR.

לדוגמה, ADA4051 ממכשירים Analog מציע 1.2 μAreaiFLT:0QuaFLT 1 ורעש של 160V / ⁇ Hz ב 10 הרץ, בעוד LT6010 (מכשירים אנלוג) שואב 60 μA אבל מציע 10 nV / הרץ.אם החיישן דורש פתרון גבוה (למשל 16 סיביות), האחרון עשוי להיות יותר בחירה למרות הנוכחי.

מצבי שינה ו Wake-up Triggers

מצבי שינה מתרבים דורשים תיאום זהיר עם המיקרובקר.התחילת החסימה של ה-Amp ניתן לשלוט על ידי קו GPIO. עם זאת, כאשר ה- mp נסגר, הפלט עשוי ללכת למצב של סגרה גבוהה.אם הפלט מחובר מיקרובקר ADC, ה- ADC צריך להיות מבודד כדי למנוע דליפה.

בחירה מתאימה ל Reliability

רשתות חיישן כוח PCB פועלות לעתים קרובות על פני טווחי טמפרטורה רחב (למשל, בחוץ מ -40 מעלות C ל +85 ° C) רכיבים פסיביים כמו capacitors ומתנגדים גם למשוך זרם הדלפה אשר עולה עם טמפרטורה. Ceramic capacitors עם X7R או C0G dielectrics יש להשתמש; ציפוי אלקטרוליטי יש דליפות גבוהה והם בלתי מתאימים עבור עיצובים בגובה נמוך (a) אבל ציפוי גבוה יותר מאשר חום) הם 10.

דוגמה: עיצוב מדיח טמפרטורה נמוך

כדי להמחיש עקרונות אלה, לשקול צומת סביבתי מופעל סוללות כי מודד טמפרטורה כל 5 דקות. החיישן הוא ממתאם בתצורה של מתח-ממדית.התפוקה מוצפת וממסנן לפני האכלה של 12 סיביות ADC מוטבע מיקרובקר כוח נמוך (למשל, STM32L0 או EFM.32).

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא כ"ד): "ה' (ב')" (ב')"ב)" (ב"ב)"ב"ב, "ב"ב"ה, "ה')" (ב"ב)"ב"ב"ב"ב"ב"ה, או "ה'ו', אם משתמשים ב-3.3 V עם אמפ, עם קופה.
  • (FLT:0)Bandwidth:FLT:1 Thermistor משתנה לאט (0.1 הרץ) הוסף 10 k ⁇ / 10 μF RC מסנן בפלט (זמן קבוע 100 s, חיתוך 0.016 ), כדי להפחית רעש.
  • (ב) [ה]:0] ,[דרוש מקור] [ב]] [ב]] [ב]] [ב[[המאה ה'], [ה]], [ה]], [ה]], [ה'], [ה']'[ה']'[ה']']'[ה']']'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
  • (FLT:0) Power gating:FLT:1 המיקרובקר מתעורר כל 5 דקות, והוא קובע GPIO כדי לאפשר את ה- mp (השיאה של זרם גבוה) לאחר 5 מ"מ התיישבות, ADC קורא את המתח.ה- amp הוא אז לסגור את ה- 8 מטר מתחת ל-Abnbn=A ⁇ % 0.1 = 0.
  • (FLT:0)חומרי חיים מעריכים: FLT:1 עם סוללה 1000 mAh (למשל, שני AA alkaline בסדרה), החזית האנלוגית לבדה תימשך יותר ממיליון שעות (114 שנים) בפועל, המיקרובקר והחיישן ישלוט, אבל מעגל האמפ כבר לא הבקבוק.

כלים ומשאבים עבור עיצוב דלת כוח או Amp

(הופנה מהדף ⁇ ) שימוש במודלים של SPICE המסופקים על ידי יצרנים כדי לבדוק את התנהגותו הנוכחית והעברה של ספקים IC מציעים כלים עיצוב מקוון: FLT:0Texas Instruments's OpampatioercioFLT:1 ו-(FLT:2Analog מכשירים חיפושים) סימולטיביים של IFLT 3, המאפשרים מסנן על ידי IFLT:4,5, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000)

מסקנה

עיצוב מעגלים mp כוח נמוך עבור רשתות חיישן מופעל סוללות דורש גישה הוליסטית שמתחילה עם בחירת מגבר מתאים וממשיך באמצעות אופטימיזציה זהירה של מתח אספקה, רוחב פס, הטיה, ורכיבה חובה על ידי הבנה היחסים בין הנוכחים, העומס והזהות חיוני עבור רכיבי חיישן חיוני, מהנדסים יכולים ליצור נקודות חזית אנלוגיה כי למשוך חלקיקים של ממוצע תוך שמירה על דיוק גבוה כגון subresentsive ו-perreative פעולה יעילה יותר כמו לחץ על פני מערכות הפעלה מהירה יותר של תפקוד יעיל יותר של סוללות, כמו גם לחץ חיים גמישה.