センサーシステムのダイナミックレンジを拡張することは、精密測定と計測の基本的な課題です。センサーは、環境の変動から高強度産業プロセスまで、さまざまな角度からスパンオーダーの信号を正確にキャプチャしなければなりません。アクティブ回路は、操作アンプ、トランジスタ、および適応的なゲイン制御を中心に構築され、弱信号を増幅し、騒音を抑制し、強力な入力から飽和を防止する手段を生成します。この記事は、設計原則、構成、および構成および実際の拡張機能を備えた構造の拡張機能を備えた、および、および、および、および、および、ダイナミックな構造の拡張機能を備えた、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、および、

センサーのダイナミックレンジの理解

センサーのダイナミックレンジは、検出可能な信号の最小値の比率(dB)で表現される最小の検出信号として定義されます。例えば、100dBのダイナミックレンジを持つセンサーは、歪みや解像度の損失なしに10V信号から1μV信号を区別することができます。広範囲のダイナミックレンジは、オーディオ録音、医療診断、および環境モニタリングなどのアプリケーションで不可欠です。信号レベルが劇的に変化する。

ノイズフロア、飽和限界、非線形性から発生するダイナミックレンジへの制限。ノイズフロアは、バックグラウンドノイズから区別できる最小信号を定義します。入力がセンサーの最高定格レベルを超えたときに飽和が発生し、クリップや歪みを引き起こします。ダイナミックレンジを拡張するには、ノイズフロアを削減し、サワーリングを増加させ、動作領域全体にわたってリニアリティを維持する必要があります。

範囲延長におけるアクティブ回路の役割

アクティブ回路は、デジタル化または処理される前にセンサー信号を変更します。 彼らは3つの主な機能を提供します。弱い信号の増幅、強度の信号の減少または制限、およびインピーダンスバッファリングは、負荷効果を防ぐことができます。 最も一般的なアクティブコンポーネントには、操作アンプ(オプトアンプ)、トランジスタアンプ、および専用の自動ゲイン制御(AGC)回路が含まれます。

操作アンプと信号調節

Op-ampsはアナログ信号処理の作業場です。高オープンループゲインとフレキシブルなフィードバック構成により、正確な増幅、フィルタリング、およびレベルシフトが可能になります。ダイナミックレンジエクステンションでは、オペアンプは、厳選されたフィードバック抵抗器を使用して、過度のノイズを添加することなく、利益をセットします。 ]] は、低入力ノイズ、高音、および広範囲の電圧および広範囲にわたる供給範囲で適切なデバイスを選択するために不可欠です。

自動ゲイン制御(AGC)

AGC回路は、入力信号の振幅に基づいて、アンプのゲインを動的に調整します。これにより、システムは、大きな入力バリエーションにもかかわらず、一定の出力レベルを維持することができます。典型的なAGCループには、可変的な増幅器(VGA)、封筒検出器、およびフィードバックコントローラが含まれています。VGAのゲインは、強力な信号が提示されると、飽和を防ぎ、信号をノイズ比を維持するために弱い信号の間に増加します。 [[FLT:TLT:TLT:[FLT]と[F]インスツルメンツルメントループ]は、詳細な信号を設計します。

高周波アプリケーション用トランジスタアンプ

無線周波数で動作するセンサーや、非常に広い帯域幅を必要とするため、ディスクリートトランジスタアンプ(BJTまたはFET)は、統合オペアンプと比較して、優れたゲインとノイズ性能を提供します。 一般的なエミッタと共通ソーストポロジー、カスコード構成と組み合わせることで、ミラーのキャパシタンスを最小限に抑え、リニアリティを向上させることで、幅広いダイナミックレンジを実現できます。 エンジニアは、多くの場合、 IEEE の低ノイズのベース ペーパーを使用して、参照を最適化する[FLT] などの設計を最適化] します。

アクティブ・ダイナミック・レンジ・エクステンションの設計検討

ダイナミックレンジ拡張のためのアクティブ回路の設計は、複数の、多くの場合、競合、パラメータのバランスをとる必要があります:ゲイン、帯域幅、騒音、リニアリティ、および消費電力。以下は、注意を要求する重要な領域です。

ノイズ最適化

アクティブ・サーキットによって加えられた騒音はセンサーの本質的な動的範囲を維持するために最小にされなければなりません。これは低騒音のop-ampsを、適切な終了抵抗器を使用して、および外部の干渉を減らすために保護およびレイアウトの技術を採用することを用いる、低電圧および現在の騒音の指定を選ぶことを含みます。信号の鎖の全面的な騒音図(NF)は信号に騒音の比率を最大限に高める第1段階のアンプによって支配されるべきです。

リニアリティと歪み

アンプの非線形性は、小さな信号をマスクしたり、誤った読書を引き起こすことができる調和と変調製品を作成します。 リニア性を向上させる技術は、負のフィードバックを使用して、高オープンループのゲインを持つデバイスを選択し、アンプの転送曲線のリニア領域内で動作する。 高度の線形性要件については、低トータルな耐圧歪み(THD)で精密オペアンプを使用することを検討してください。

供給のヘッドルームおよび飽和の保護

アクティブ回路は、予想される信号のスイングをクリップせずに対応するために十分な供給ヘッドルームを持っている必要があります。これは、レールツーレール出力機能または分割供給を提供するオペアンプを選択することを意味する。さらに、入力保護ダイオードと電圧クランプは、大きな過渡信号からの過電圧損傷を防ぐことができます。

パワー消費量と熱管理

ポータブルまたは低電力センサーシステムでは、アクティブ回路の電力予算は慎重に管理する必要があります。 低電力のオペアンプとサブスホールドトランジスタ動作は、消費を削減することができますが、帯域幅と騒音性能のコストで。 セルフヒートリングは、オフセット電圧のドリフトを引き起こし、利益を得ることができますので、熱設計も重要です。

さらなる範囲延長のための高度な技術

基本的な増幅とAGCを超えて、いくつかの高度なアナログ技術は、ダイナミックレンジをさらにプッシュすることができます。

ロジスティックアンプ

ログアンプは、ログアトランの移動機能を適用することにより、より小さい出力範囲に広い入力範囲を圧縮します。 これは、数十数年にわたる信号を生成するフォトダイオードやアクセラレータなどのセンサーに特に役立ちます。 出力電圧は、入力電流のログアリズムに比例して、単一のアンプで、ゲインステージを切り替えることなく、両方のフェインと激しい信号を処理することができます。

作曲(圧縮・拡張)

通信機器から取り寄せられた通信技術で、送信機(またはセンサーフロントエンド)で信号を圧縮し、受信機(またはADC)で拡張されます。 アナログコンパンダーは、封筒のフォロワーによって制御された可変的なアンプを使用します。 これは、より狭い経路に広いダイナミックレンジをフィッティングしながら、信号の相対的な広さを保存します。

デジタル校正と混合信号統合

現代のシステムは、デジタル信号処理(DSP)でアクティブアナログ回路を組み合わせることがよくあります。デジタルプロセッサは、非線形補正、オフセット除去、および適応フィルタリングを適用して、それ以外の場合、失われた信号を回復することができます。 []]電子デザイン雑誌は、アナログ範囲拡張を補完するデジタル校正技術[をカバーしています。

センサーシステムへの応用

幅広いセンサー技術で、アクティブ・ダイナミック・レンジの拡張機能を実装しています。

医学のイメージ投射

計算されたトーマグラフィー(CT)や磁気共鳴イメージング(MRI)などのモダリティでは、ディテクタからの信号は80〜100dBで変化する可能性があります。 AGCおよびプログラム可能なゲインアンプ(PGA)は、各取得ラインのフロントエンドゲインを調整するために使用され、低コントラスト軟組織と高密度骨の両方が飽和せずに画像化されていることを保証します。 医療設計リソースは、これらの増幅器の重要性が低いシステムであることを確認します。

液晶・光学センシング

近距離の分散を避けながら、遠方オブジェクトから弱点(LiDAR)センサーを検知し、反射面を高度に除去する。自動ゲイン制御によるトランピーダンスアンプは、フルリターンのダイナミックレンジにわたってリニアリティを維持するために使用される。高度なLIDARシステムは、スイッチングなしで信号チェーン全体を処理するために、ロジスティックアンプを使用する。

環境モニタリング

水道品質センサー、空気粒子のカウンター、放射線探知機は、広範囲の濃度範囲で動作する必要があります。例えば、濁度センサーは0.01 NTU(クリアウォーター)から1000 NTU(muddy water)まで測定する場合があります。選択可能なゲインステップを備えたフロントエンドアンプは、適切な範囲を選択したマイクロプロセッサと組み合わせ、手動介入なしで正確な監視を可能にします。

航空宇宙・防衛

航空機や衛星のセンサーは、極端な温度変化、放射線、機械的ストレスの下で動作します。 アクティブ回路は、硬化したコンポーネントと冗長なゲインパスで設計する必要があります。 比較のようなダイナミックレンジエクステンション技術は、近くの爆撃者から大きなリターンを発揮しながら、ステルシーターゲットを検出するためにレーダー受信機で使用されます。

コンテンツ

ダイナミックレンジ拡張のためのアクティブ回路を作成することは、アナログエレクトロニクス、信号処理、システムレベルの設計をブレンドするマルチ懲戒活動です。 特に、オペアンプやAGCモジュールなどのコンポーネントを慎重に選択することで、騒音とリニアリティを最適化し、ロジスミック増幅とコンパンディングなどの高度な技術を適用することで、エンジニアは、高忠実度で広範囲にわたるダイナミックレンジをキャプチャするセンサーシステムを構築することができます。 センサーアプリケーションは、より詳細な要求環境にプッシュするので、深海から量まで、より動的に変化するような動作範囲を拡張するだけでなく、より重要な役割を果たします。