Table of Contents

Почему операционные усилители CMOS доминируют в современном дизайне датчиков

Интегрированные сенсорные модули лежат в основе практически каждой электронной системы в современном мире. Эти модули транслируют физические явления, такие как температура, давление, влажность, интенсивность света и химические концентрации, в электрические сигналы, которые могут интерпретировать микроконтроллеры и процессоры. Сами чувствительные элементы производят удивительно слабые выходы, часто порядка микровольт или милливольт, требующие тщательного усиления перед оцифровкой или дальнейшей обработкой. Оперативные усилители служат основой этого фронтального кондиционирования сигнала, а дополнительные оп-амперы металл-окислый полупроводник (CMOS) стали доминирующим выбором практически в каждой области применения. Их уникальная комбинация сверхнизкого энергопотребления, исключительно высокого входного импеданса и бесшовной монолитной интеграции с цифровой логикой коренным образом изменила дизайн сенсорного интерфейса в промышленной автоматизации, медицинских устройствах, автомобильной электронике и потребительских продуктах.

Современные сенсорные системы работают под все более жесткими ограничениями. Носимые мониторы здоровья должны работать в течение нескольких недель на крошечных монетных ячейках, промышленные узлы Интернета вещей (IoT) должны выживать годами без замены батареи, а медицинские имплантаты должны потреблять ничтожную мощность при проведении точных измерений. Оп-ампы CMOS удовлетворяют этим требованиям, обеспечивая при этом высокий уровень интеграции, необходимый для компактных, экономически эффективных конструкций. Их универсальность сделала их вариантом по умолчанию для новых сенсорных модулей, где вся цепочка сигналов от сенсорного элемента до цифрового выхода часто реализуется на одном чипе. В этой статье рассматриваются технические основы технологии оп-ампера CMOS, исследуются их ключевые преимущества в кондиционировании сенсорных сигналов и даются практические рекомендации для инженеров, выбирающих эти компоненты.

Понимание технологии операционного усилителя CMOS

В своей основе операционные усилители CMOS используют совпадающие пары n-канальных и p-канальных MOSFET для построения дифференциальных входных стадий, стадий усилителя с высокой долей усиления и выходных буферов. В отличие от биполярных транзисторных переходных транзисторов (BJT) оп-амперов, которые полагаются на устройства с током, оп-амперы CMOS контролируются напряжением. Это фундаментальное различие дает им почти бесконечное входное импеданс постоянного тока, обычно превышающий 10 ]12 ] Ом, что означает, что они получают незначительный ток от датчика. Процесс изготовления CMOS, разработанный в 1960-х годах и усовершенствованный за десятилетия полупроводникового масштабирования, позволяет одному и тому же кремниевому кристаллу принимать как чувствительные аналоговые схемы, так и цифровые блоки высокой плотности. Современные интегральные схемы смешанного сигнала обычно объединяют оп-амперы CMOS с аналого-цифровыми преобразователями, цифровыми фильтрами и ядрами микроконтроллеров, позволяя полностью интегрировать сенсор

На входной стадии оп-ампа CMOS обычно используется дифференциальная пара MOSFET, выбранная для их характеристик с низким уровнем мерцания. Дизайнеры выбирают пары входных p-каналов или n-канала в зависимости от требуемого диапазона напряжения общего режима, оптимизируя для работы с рельсовым или конкретным напряжением питания. Расширенные архитектуры, такие как сложенный каскод или дополнительные дифференциальные пары, достигают высокого коэффициента усиления и широкой полосы пропускания, не жертвуя стабильностью. Поскольку MOSFET ведут себя как устройства квадратного права, коэффициент усиления с открытым контуром оп-ампа CMOS часто ниже, чем у сопоставимого биполярного устройства для данного тока смещения. Умные методы схемы, такие как повышение коэффициента усиления и многоступенчатые топологии усилителя, закрывают этот разрыв, сохраняя преимущество низкой мощности, которое делает CMOS таким привлекательным.

Ранние оп-ампы CMOS широко рассматривались как медленные и шумные, но современные процессы глубокого субмикрона резко изменили это восприятие. Методы стабилизации и автоматического нуля в настоящее время позволяют смещать напряжения ниже 10 микровольт и плотность шума, которые конкурируют с биполярными компонентами премиум-класса. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Solid-State Circuits , стабилизированные на вертолете усилители CMOS достигают наносимых на вход шумовых полей 5 нВ / √ Гц, что делает их пригодными для наиболее требовательных применений датчиков точности. Интеграция цифровых калибровочных схем дополнительно повышает производительность за счет обрезки смещений и компенсации температурного дрейфа во время производственных испытаний, обеспечивая точность, которая ранее требовала дорогостоящей лазерной обрезки тонкопленочных резисторов.

Основные преимущества в кондиционировании сигнала датчика

Ультранизкое потребление энергии позволяет создавать батареи

Датчики с батарейным питанием, устройства сбора энергии и имплантируемая медицинская электроника не могут позволить себе несколько милливатт покоящегося тока, типичного для биполярных операционных усилителей. Оп-ампы CMOS естественным образом потребляют ток только во время событий переключения, и их статическое рассеивание мощности может падать до нановатт в конструкциях подпороговой области. Типичный универсальный оп-ампер CMOS потребляет от 10 до 50 микроампер на канал, в то время как специализированные версии микромощности потребляют менее 500 наноампер. Эта эффективность продлевает срок службы узлов датчиков от дней до лет на одной монетной батарее. Texas Instruments предоставляет исчерпывающее руководство в своем отчете о применении наномощных операционных усилителей , подчеркивая, как конструкции суб-1-микроамперов позволяют непрерывные мониторы глюкозы и датчики окружающей среды, которые работают десятилетие без изменений батареи. Для всегда включенных приложений, таких как обнаружение голосовой активности, покоящийся ток должен оставаться ниже нескольких микроамперов, и современные оп-амперы CMOS

Исключительное входное сопротивление предотвращает загрузку сигнала

Резистивные датчики, такие как тензодатчики и детекторы температуры сопротивления (RTD), производят крошечные напряжения, в то время как емкостные датчики, включая акселерометры MEMS и датчики влажности, генерируют небольшие пакеты заряда. Ввод усилителя низкого давления будет отводить этот заряд, вызывая ослабление сигнала и неточные показания. Изолированные затвором MOSFET входы в op-amp CMOS представляют собой токи смещения в диапазоне фемтоампера, эффективно устраняя ошибки загрузки. Эта характеристика оказывается особенно ценной в усилителях трансимпеданса фотодиода, где темный ток и утечка могут маскировать небольшие оптические сигналы. Аналоговые устройства предоставляют подробные примеры в их примечании к датчикам высокого давления на интерфейсах , демонстрируя точные схемы фотодетектора, которые используют входы CMOS. В конструкциях, использующих электроды pH или электрохимические датчики, ток смещения часто становится ограничивающим фактором для точности, а оп-ампы CMOS с токами сме

Монолитная интеграция снижает затраты и след

Технология CMOS позволяет совместно изготавливать несколько операционных усилителей, программируемых усилителей усиления, опор напряжения и беспроводных приемопередатчиков на одной кремниевой подложке. Результатом являются сенсорные модули, которые сжимаются от дискретных ПХД, содержащих десятки компонентов, до единичных упаковок размером всего 2 мм на 2 мм. Современный 9-осевой инерциальный измерительный блок, например, интегрирует три датчика MEMS, усиление CMOS, преобразование ADC и I2C или SPI цифровой выход в пределах следа меньше ногтя. Эта интеграция резко снижает затраты на производство, повышает надежность за счет уменьшения количества припоев и упрощает компоновку ПХБ при одновременном снижении паразитных емкостей, которые в противном случае ограничивали бы полосу пропускания. В медицинских ультразвуковых зондах фронтальный ASIC интегрирует десятки оп-амперов CMOS для обработки каждого канала, позволяя создавать миниатюрные портативные устройства, которые невозможно было построить с использованием дискретных биполярных усилителей.

Низкий уровень шума сохраняет целостность сигнала

Датчики часто заглушаются в шум, и усилитель должен вводить как можно меньше дополнительного шума. CMOS-op-amps превосходит в низкочастотных приложениях, где доминирует мерцающий шум. Производственные достижения и MOSFETs с заглубленным каналом подтолкнули 1/f угловую частоту ниже 10 Гц, что делает CMOS жизнеспособным для сейсмических датчиков, прецизионных весов и ЭКГ фронтендов. Архитектура, стабилизированная на кабеле из-за простоты интеграции тактовых цепей, модулирует входной сигнал на высокую частоту, где шум плоский, а затем демодулирует его обратно в бейс-бэнд, эффективно устраняя DC-смещение и дрейф. В ]STMicroelectronics TSZ121 op-amp с максимальным смещением 5 микровольт и 0,03 микровольта на дрейф градуса Цельсия, что делает его идеальным для термопарного сдвига. Для высокого тока датчик тока в автомобильных

Широкая пропускная способность и работа железной дороги на железной дороге максимизируют динамический диапазон

Ранние оп-ампы CMOS изо всех сил пытались обеспечить высокий коэффициент усиления на высоких частотах, но требования систем быстрого сбора данных приводили к тому, что продукты с пропускной способностью более 50 МГц поддерживали токи покоя микроампера. Системы датчиков, которые работают от низких однократных напряжений питания 1,8 В или 3,3 В, требуют усилителей, чей входной диапазон общего режима и выходной качели простираются от рельса до рельса. Дополнительные этапы ввода CMOS с зарядными насосами и выходными этапами класса AB легко достигают этого, максимизируя динамический диапазон. Типичный рельсовый вход / выход CMOS-op-amp может качаться в пределах 20 милливольт от рельсов питания, гарантируя, что никакие коды ADC не теряются из-за ограничений запаса. В оборудовании с питанием от батареи использование полного диапазона питания напрямую приводит к более высокому эффективному разрешению от ADC, потому что каждый цифровой код представляет меньшую долю доступного диапазона сигналов.

Дизайн-рассмотрения для сенсорных приложений

Несмотря на их многочисленные сильные стороны, инженеры должны ориентироваться в нескольких компромиссах при выборе оп-ампера CMOS для сенсорного модуля. Вводной ток смещения, будучи чрезвычайно низким при комнатной температуре, может увеличиваться при повышенных температурах из-за утечки соединения. При 85 градусах Цельсия и выше ток смещения может подниматься до пикампов или даже наноамперов, потенциально влияя на схемы с высоким сопротивлением. Дизайнеры должны тщательно консультироваться с кривыми таблицы данных и рассмотреть возможность реализации защитных колец или тепловой изоляции для экстремальных сред. Для приложений ниже 0 градусов Цельсия ток смещения обычно падает дальше, но поведение запуска должно быть проверено, чтобы обеспечить предсказуемое поведение усилителя во всем диапазоне температур.

В то время как современные оп-ампы CMOS значительно закрыли разрыв, их тепловой шум может быть немного выше, чем у эквивалентных биполярных оп-амперов на высоких частотах. Для широкополосного сигнала акселерометра JFET или биполярный вход может предложить лучшее соотношение сигнал-шум, в то время как для сигналов около DC, CMOS нарезанные усилители часто превосходят обе альтернативы. Конструктор должен тщательно балансировать шум, мощность и напряжение питания в соответствии с конкретными потребностями приложения. Практический подход включает в себя моделирование полной цепи сигнала, включая импеданс выхода датчика, емкость кабеля и шум входа ADC, чтобы определить, какая технология оп-ампера обеспечивает лучшую общую производительность системы.

Электромагнитный помехозащищенный иммунитет также имеет решающее значение в промышленных и автомобильных средах. Оп-ампы CMOS могут страдать от RF-исправления на стадии ввода, которое выпрямляет внедиапазонные сигналы в DC-смещение. К счастью, многие производители теперь интегрируют на чипе EMI-фильтры. При оценке компонента инженеры должны проверить его спецификацию коэффициента отторжения EMI, которая указывает, насколько хорошо он отклоняет радиочастотный шум на общих частотах, таких как 1 ГГц. Для датчиков, развернутых вблизи двигателей или беспроводных передатчиков, выбор оп-ампера с EMIRR более 100 дБ на 1000 МГц может предотвратить деградацию сигнала. Тщательная компоновка ПХД, включая наземные плоскости и экранирование, остается необходимой для поддержания высокого импеданса и низкого шума, которые предлагают оп-ампы CMOS.

Сравнение CMOS с биполярным и JFET Op-Amps

Чтобы в полной мере оценить сильные стороны операционных усилителей CMOS, полезно сравнить их непосредственно с альтернативными технологиями:

  • Биполярные (BJT) Op-Amps: Эти устройства предлагают чрезвычайно низкий уровень шума напряжения ниже 1 нВ/Гц и очень высокий коэффициент усиления с открытым контуром, но они страдают от значительных входных токов смещения часто в диапазоне микроампер и более высокого энергопотребления. Они превосходят в приложениях с низким уровнем давления источника, таких как аудио предамперы или высокоскоростные фотодиодные фронтальные устройства, где производительность шума имеет первостепенное значение. Тепловой дрейф смещения напряжения обычно хуже, чем CMOS из-за колебаний напряжения базового эмиттера с температурой.
  • JFET Op-Amps: Эти усилители обеспечивают умеренное входное сопротивление в гигаохмальном диапазоне и ток с низким уклоном в пикамповом диапазоне, с лучшей шумопроизводительностью, чем ранние CMOS-устройства. Однако они не могут легко интегрироваться с цифровой схемой CMOS, и их гибкость напряжения питания более ограничена. Усилители JFET часто предпочтительны для высокоскоростных широкополосных датчиков, таких как пьезоэлектрические преобразователи и некоторые химические датчики. Их выходное качание не всегда является рельсовым, что может ограничить динамический диапазон в низковольтных конструкциях.
  • CMOS Op-Amps: Эти устройства обеспечивают превосходный баланс сверхнизкой мощности, высокой интеграционной способности и все более конкурентной шумопроизводительности. Они стали выбором для портативных, многодатчиковых и многосигнальных ИС, где усилитель представляет собой всего один функциональный блок среди многих. Современные конструкции включают в себя функции цифровой обрезки и самокалибровки, которые непрактичны для дискретных частей BJT или JFET. Возможность работы при напряжении питания до 0,9 В делает их идеальными для сбора энергии и одноклеточных аккумуляторных приложений.

На практике носимый фитнес-трекер может использовать оп-ампер CMOS для буферизации фотоплетизмографического датчика, поскольку время автономной работы и небольшой размер имеют решающее значение, в то время как предусилитель микрофона лабораторного класса может по-прежнему полагаться на биполярные оп-ампы для максимальной производительности шума. Для многих промышленных проектов среднего объема более низкая стоимость и меньший пакет оп-амперов CMOS перевешивают преимущество предельного шума биполярных устройств, что делает CMOS прагматичным выбором.

Расширенный ландшафт приложений

Промышленная автоматизация и сенсорные сети IoT

Сети датчиков заводского пола должны выдерживать широкие колебания температуры и электрический шум при работе в течение многих лет от недорогой батареи или источника сбора энергии. Оп-ампы CMOS в передатчиках давления и датчиках близости часто используют контурные конструкции с напряжением 4-20 мА, где весь текущий бюджет схемы остается ниже 4 мА. Например, серия MCP6 Microchip обеспечивает однопользовательские оп-ампы CMOS с расширенным диапазоном температур и защитой ESD, которые широко используются в промышленных преобразователях. Аналоговые устройства предлагают всеобъемлющее руководство по проектированию контура тока ], которое обеспечивает понимание конструкции датчика низкого энергопотребления. В беспроводных узлах IoT ток сна усилителя, часто менее 1 микроампера, позволяет устройству проводить большую часть своего времени в глубоком сне, все еще быстро реагируя на события датчика, когда они происходят.

Медицинские приборы и носимые мониторы здоровья

Усилители электрокардиограммы (ЭКГ), усилители электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и датчики импульсных оксиметров требуют как высокого тока отторжения в обычном режиме, так и незначительного тока утечки, чтобы избежать шокирования пациента или искажения потенциалов на уровне микровольта. Оп-ампы CMOS, интегрированные с усилителями привода правой ноги и защитными цепями, обеспечивают безопасность пациента и ясность сигнала. Носимые непрерывные глюкозомониторы используют усилители CMOS в конфигурациях потенциостата для измерения токов наноампера от ферментативных реакций с минимальным дрейфом с течением времени. Небольшой след ИС CMOS позволяет устанавливать эти медицинские датчики на гибких подложках для конформных пластырей кожи. Имплантируемые устройства, такие как кардиостимуляторы и нейростимуляторы, полагаются на ультра-низкосиловые оп-амперы CMOS, которые потребляют менее 100 наноамперов на канал, максимизируя срок службы батареи между хирургическими процедурами замены.

Автомобильные сенсорные системы

Современные транспортные средства упаковывают более 100 датчиков, начиная от многообразных абсолютных датчиков давления до приемников LiDAR. Температура под капотом может превышать 125 градусов Цельсия, а рельсы питания несут большие переходные значения. Автоматически квалифицированные оп-ампы CMOS, отвечающие стандарту сертификации AEC-Q100, должны поддерживать точность, несмотря на эти суровые условия. Самокалибровочные архитектуры, которые практичны в CMOS, периодически обнуляют ошибки смещения, поскольку чип нагревается и охлаждается. Примечание приложения NXP на кондиционировании сигнала на датчике давления ]NXP на основе программируемых стадий усиления компенсирует нелинейность температур. Для систем управления аккумуляторами электромобилей CMOS-оп-амперы контролируют индивидуальные напряжения ячеек с точностью микровольта при работе с тем же высоковольтным стеком, используя методы сдвига уровней, ставшие возможными благодаря высокому входному импедансу входов CMOS.

Потребительская электроника и умные домашние устройства

От микрофонов MEMS в интеллектуальных динамиках до емкостных сенсорных датчиков в смартфонах CMOS-op-amps позволяют аналоговый интерфейс в компактных, чувствительных к затратам форм-факторах. Микрофонный предусилитель IC часто включает в себя генератор смещения заряда-насоса и маломощный CMOS-аудиобуфер, который непосредственно приводит в действие ADC. Аналогично, датчики окружающего света и детекторы близости используют встроенные CMOS-фотодиоды с усилителями трансимпеданса на чипе для доставки цифровых показаний люкс по шине I2C. В термостатах умного дома CMOS-op-amps сигнализирует о состоянии от датчиков температуры, влажности и заполняемости, в то время как основной процессор спит, рисуя менее 10 микроамперов от пары батарей AA в течение всего отопительного сезона.

Будущие направления и новые тенденции

Поскольку Интернет вещей стимулирует спрос на еще более низкую мощность и более высокую интеграцию, оп-ампы CMOS будут продолжать развиваться. Подпороговые методы проектирования выдвигают рабочие напряжения ниже 0,5 В, позволяя напрямую питаться от одиночных солнечных элементов или термоэлектрических генераторов. Передовые технологии упаковки, такие как пакеты на уровне микросхем, объединяют элемент датчика и усилитель в один модуль размером менее одного кубического миллиметра. Интеграция энергонезависимой памяти и цифровой обрезки позволяет калибровать смещения и усиления на заводе, обеспечивая общую точность под плюс или минус 0,1 процента без лазерной обрезки на уровне компонентов.

Возможно, наиболее захватывающей разработкой является сближение аналоговой схемы CMOS с машинным обучением на краю. Процессоры синтеза на чипе теперь используют массивы операционных усилителей CMOS для одновременного усиления и предварительной обработки сигналов перед подачей ускорителя нейронной сети, все на одном и том же кристалле. Эта архитектура уже очевидна в постоянно включенных детекторах голосовой активности и распознавающих жесты ИС. Поскольку индустрия движется к автономным интеллектуальным датчикам, которые сообщают о контекстных решениях, а не сырых данных, операционные усилители CMOS останутся молчаливым двигателем, который превращает физическую реальность в действенный интеллект.

Устойчивость и экологический дизайн также влияют на выбор операционных усилителей. Производители теперь публикуют подробные оценки жизненного цикла и предлагают беспроводные, безгалогенные пакеты. Способность операционных усилителей CMOS эффективно работать и продлевать срок службы батареи напрямую способствует сокращению электронных отходов, фактор, который будет только расти в важности для экологически сознательного дизайна продукта. Поскольку будущие сенсорные модули требуют все меньших энергетических бюджетов и более тесной интеграции, преимущества операционных усилителей CMOS сделают их незаменимым строительным блоком на десятилетия вперед.