Perché gli amplificatori operativi CMOS Dominano il design moderno del sensore

I moduli di sensori integrati sono praticamente tutti i sistemi elettronici del mondo moderno. Questi moduli traducono fenomeni fisici come temperatura, pressione, umidità, intensità luminosa e concentrazioni chimiche in segnali elettrici che i microcontrollori e i processori possono interpretare. Gli elementi di rilevamento stessi producono uscite notevolmente deboli, spesso sull'ordine di microvolti o millivolt, che richiedono un'accurata amplificazione prima della digitalizzazione o di un'ulteriore elaborazione.

I moderni sistemi di sensori operano sotto vincoli sempre più stringenti. I monitor sanitari indossabili devono essere eseguiti per settimane su minuscole celle a moneta, i nodi industriali di Internet of Things (IoT) devono sopravvivere anni senza la sostituzione della batteria, e gli impianti medici devono trarre la potenza trascurabile, fornendo misure precise.

Comprendere CMOS Tecnologia di Amplificatore Operativo

I filtri operativi CMOS utilizzano coppie di N-channel e P-channel MOSFET per la costruzione di fasi di ingresso differenziali, fasi di amplificatore ad alta guadagno e buffer di uscita.

La fase di ingresso di un CMOS op-amp tipicamente impiega un paio differenziale di MOSFETs selezionati per le loro caratteristiche di rumore a basso tenore di sfarfallio. I progettisti scelgono coppie di ingresso p-channel o n-channel a seconda della gamma di tensione comune-mode richiesta, ottimizzando per il funzionamento a binario-rail o specifiche tensioni di alimentazione.

I primi piani CMOS op-amps sono stati ampiamente considerati come lento e rumoroso, ma i moderni processi di deep-submicron hanno cambiato drammaticamente questa percezione.Le tecniche di stabilizzazione e di auto-zeroing Chopper ora permettono tensioni di offset inferiori a 10 microvolt e densità di rumore che rivali componenti bipolari premium. Secondo la ricerca pubblicata nel IEEE Journal of Solid-State Circuits

Vantaggi principali nel condizionamento del segnale del sensore

Il consumo di energia ultra-bassa consente di progettare progetti alimentati a batteria

I sensori a batteria, i dispositivi di raccolta dell'energia e l'elettronica medica impiantabile non possono permettersi i diversi milliwatt di corrente quiescente tipica di op-amp bipolari.

Eccezionale impedenza di ingresso previene il caricamento del segnale

I sensori di pressione CMLT (in inglese) producono piccole tensioni, mentre i sensori di potenza, inclusi gli accelerometri MEMS e i sensori di umidità, generano piccoli pacchetti di carica.

Integrazione monolitica riduce la stampa e il costo

La tecnologia CMOS consente la co-fabrificazione di più amplificatori op-amp, amplificatori di guadagno programmabili, riferimenti di tensione e transceivers wireless su un unico substrato di silicio. Il risultato è che i moduli di sensori si restringono da PCB discreti contenenti decine di componenti a pacchetti singoli che misurano solo 2 mm da 2 mm.

Basso rumore Preserve di prestazioni di segnale Integrity

I segnali di sensore sono spesso sepolti in rumore, e l'amplificatore deve introdurre il minimo rumore supplementare possibile. CMOS op-ampli eccelle nelle applicazioni a bassa frequenza dove domina il rumore di flicker. Progressi di fabbricazione e MOSFETs sepolti-canale hanno spinto la frequenza di angolo 1/f sotto 10 Hz, rendendo CMOS visibili per sensori sismici, scale di pesatura di precisione e ECG front-end.

L'operazione Wide Bandwidth e Rail-to-Rail massimizza la gamma dinamica

I primi sistemi CMOS op-amps hanno lottato per ottenere un elevato guadagno a frequenze elevate, ma le esigenze dei sistemi di acquisizione dati veloci hanno guidato i prodotti di larghezza di guadagno oltre i 50 MHz, mantenendo le correnti di microamp quiescente. I sistemi di sensori che operano da basse tensioni monofornitura di 1,8 V o 3.3 V richiedono amplificatori il cui intervallo di ingresso comune e l'oscillazione di uscita si estende da binario a binario.

Considerazioni di progettazione per applicazioni sensori

Nonostante i loro numerosi punti di forza, gli ingegneri devono navigare diversi trade-off quando si seleziona un CMOS op-amp per un modulo sensore. La corrente di input bias, mentre estremamente bassa a temperatura ambiente, può aumentare a temperature elevate a causa di perdite di giunzione. A 85 gradi Celsius e sopra, la corrente di bias può salire a picoamps o persino nanoamps, potenzialmente interessare i circuiti di alta impedenza 0 gradi verificati.

Il rumore di tensione rappresenta un altro fattore importante. Mentre i moderni CMOS op-amps hanno chiuso il divario in modo significativo, il loro pavimento di rumore termico può essere leggermente superiore a quello di op-amp bipolari equivalenti a frequenze elevate. Per un segnale di accelerometro a banda larga, un ingresso JFET o bipolare potrebbe offrire un migliore rapporto segnale-rumore, mentre per i segnali di prossimità-DC, gli amplificatori CMOS tritati spesso superano entrambe le alternative.

CMOS op-amps può soffrire di rettifica RF nella fase di input, che rettifica i segnali out-of-band in offset DC. Fortunatamente, molti fornitori ora integrano i filtri EMI su chip. Quando si valuta un componente, gli ingegneri dovrebbero controllare le specifiche del rapporto di rifiuto EMI, che indica quanto bene respinge il rumore RF a frequenze comuni come 1 GHz.

CMOS comparato con gli amplificatori bipolari e JFET

Per apprezzare pienamente i punti di forza di CMOS op-amps, è utile confrontarli direttamente con le tecnologie alternative:

  • Bipolar (BJT) Op-Amps: Questi dispositivi offrono un rumore di tensione estremamente basso sotto 1 nV/√Hz e un guadagno open-loop molto alto, ma soffrono di significative correnti di input bias spesso nella gamma di microampli e un consumo di potenza superiore.
  • JFET Op-Amps: Questi amplificatori forniscono una moderata impedenza di ingresso nella gamma gigaohm e bassa corrente di bias nella gamma di picoamp, con prestazioni di rumore migliori rispetto ai dispositivi CMOS iniziali. Tuttavia, non possono facilmente integrare con circuiti CMOS digitali, e la loro flessibilità di alimentazione è più limitata.
  • CMOS Op-Amps: Questi dispositivi mettono a segno un eccellente equilibrio di potenza ultra-bassa, elevata capacità di integrazione e prestazioni sempre più competitive del rumore. Sono diventati la scelta ideale per applicazioni portatili, multisensori e mista-seriale ICs dove l'amplificatore rappresenta solo un blocco funzionale tra molti.

In pratica, un localizzatore di fitness indossabile potrebbe utilizzare un CMOS op-amp per tamponare il sensore fotopletismography perché la durata della batteria e le piccole dimensioni sono critiche, mentre un preamplificatore per microfono di livello di laboratorio potrebbe ancora contare su op-amps bipolari per prestazioni di rumore estreme.

Ampio paesaggio di applicazione

Reti di automazione industriale e sensore IoT

I sensori di fabbrica devono sopportare ampie oscillazioni di temperatura e rumore elettrico mentre operano per anni da una fonte di riduzione di costi della batteria o di raccolta di energia. CMOS op-amps nei trasmettitori di pressione e sensori di prossimità spesso impiegano 4-20 mA design a ciclo-alimentato dove l'intero budget corrente del circuito rimane sotto la serie MCP6 di Microchip, per esempio, fornisce i singoli-fornitori CMOS op-currents con esteso gamma di temperatura

Dispositivi medici e monitor sanitari indossabili

Gli amplificatori a batteria elettrocardiogramma (ECG) e gli amplificatori a ultrasuoni (EEG) richiedono sia un alto rifiuto a movimento comune che una corrente di dispersione trascurabile per evitare di scioccare il paziente o alterare le potenzialità a livello di microvolt.

Sistemi di sensori automobilistici

I sistemi di controllo CMLT-Q100 possono essere utilizzati per la gestione di grandi transienti. I sistemi di controllo CMLT-Q100 sono conformi alle specifiche tecniche di controllo dei sistemi di controllo di sovratensione.

Elettronica di consumo e dispositivi Smart Home

Dai microfoni MEMS in smart speaker ai sensori di tocco capacitivi negli smartphone, i CMOS op-amp consentono l'intermediario analogico in fattori di forma compatti e sensibili ai costi. Il preamplificatore microfono IC spesso include un generatore di bias a carica e un buffer audio CMOS a bassa potenza che guida direttamente un ADC.

Direzioni e tendenze emergenti

Le tecniche di progettazione sub-tengono un aumento di tensione di funzionamento inferiore a 0,5 V, consentendo l'alimentazione diretta da singole celle solari o generatori termoelettrici. Tecnologie di confezionamento avanzate come i pacchetti di chip-scale a livello wafer uniscono l'elemento sensore e l'amplificatore in un unico modulo di misura meno di un millimetro cubico.

Forse lo sviluppo più emozionante è la convergenza dei circuiti analogici CMOS con l'apprendimento automatico al bordo. I processori di fusione dei sensori On-chip ora utilizzano array di CMOS op-amps per amplificare simultaneamente e preprocessare i segnali prima di alimentare un acceleratore di rete neurale, il tutto sullo stesso die. Questa architettura è già evidente nei rivelatori di attività vocale sempre e nel riconoscimento dei gesti ICs.

I produttori ora pubblicano valutazioni dettagliate del ciclo di vita e offrono pacchetti senza piombo, senza alogeni. La capacità di CMOS op-amps di operare in modo efficiente ed estendere la durata della batteria contribuisce direttamente a ridurre i rifiuti elettronici, un fattore che crescerà solo in importanza per la progettazione di prodotti consapevoli ambientali.