Aktif filtre bileşenleri, son birkaç on yılda olağanüstü bir dönüşüm geçirdi, yoğun laboratuvar aletlerinden başlayarak en küçük elektronik sistemler için temel binalar bloklarını güçlendirmek için tasarlanmıştır. Bu evrim öncelikle iki ilgili güç tarafından yönlendirildi: tüketici elektronik ve patlayıcı büyüme ile ilgili olarak, aktif filtreler sinyal bütünlüğünü yönetmek, baskı yapmak için kritiktir ve bir kulak içinde, bir kulak içinde veya hatta bir deri yamaı içinde en az iki tanedeki güç tüketimini optimize etmek zorundadır.
Aktif Filtrelerin Tarihsel Arka Planları
Aktif bir filtre tarihlerinin 20. yüzyılın ortalarında, mühendisler pasif filtrelerin sınırlamalarını yenmeye çalışırken - isim olarak, elde edilebilirlik ve yüksek filtre topolojileri, Sallen-Key ve eyalet değişkenleri gibi yüksek enerjiler için baskılı.
1960'lar ve 1970'ler boyunca, aktif filtre teorisi, entegre devre teknolojisinin geliştirilmesi ile olgunlaşmıştır. ancak bu erken sistemler, düşük frekanslı uygulamalar için aktif filtreler gibi, anti-aliasing, gürültü reddedilmesi ve eşitleme dahil olmak üzere, düşük frekanslı uygulamalar için kullanışlılık gösterdi.
1980'lere göre, kapasitör filtre teknikleri ortaya çıktı, filtre özelliklerine izin vermek için filtre özellikleri ve sabit direnç değerleri yerine saat frekansları tarafından belirlenmelerine izin verdi.Bu değişim daha büyük entegrasyon sağladı çünkü kapasitörler yüksek göreceli doğrulukla birlikte imal edilebilir.Bu gelişmelere rağmen, birçok uygulama için pratik aktif aktif filtreler hala gerekli olan ve daha küçük tüketici cihazlarına doğru sürüş sadece başlangıçtı.
Miniaturizasyon Araba Kuvvetleri
1990'ların ve 2000'lerin tüketici elektronik devrimi, tüm devre bileşenlerinin küçültülmesi için yoğun baskıya maruz kaldı. Aktif filtreler hiçbir istisna değildi. Mobil telefonlar, taşınabilir müzik oyuncuları ve dijital kameralar proliferasyona göre mühendisler, her zaman çatı alanlarına sığan filtre çözümleri geliştirmek zorunda kaldılar ve performansları artırmak için bu talep kediye özel olarak yenilendi.
Entegre Devre Tasarımı Kısıtırlar
En önemli gelişmelerden biri tek bir silikon içinde tam aktif filtre işlevlerini gömme yeteneğiydi.Eksiyonel metal-oksit-semiktör (CMOS) süreçleri, tasarımcılar yüzlerce af-ampsiyonel entegre edebilir ve hatta fiziksel boyuttan daha küçük bir çipe geçiş yapabilirler.
Yüzey-Mount Teknolojisi ve Gelişmiş Ambalaj
Yüzeyin en fazla teknolojiye (SMT) geçiş aynı şekilde dönüştürücüydü. SMT direnççiler ve kapasitörler 0402 (0.04"x0.02) ve daha sonra 0201, yoğun kurulumlar sağlar (BGA) ve diğer işlevsel bloklarla ölmez (QFN) paketleri daha küçük bir ayak izi daha fazla I/O bağlantıları daha fazla izin verdi.
Ticaret-Offs and Engineering Challenges
Miniaturizasyon uzlaşmaz değildir. Küçük pasif bileşenler daha düşük gerilimler ve yüksek tolerans belirsizlikleri vardır, bu da sınıf filtre doğruluğu ve dinamik aralığına göre daha akut hale gelir.
Giyimlenebilir Teknolojide Aktif Filtreler
Giyim edilebilir cihazlar, tüm sensörlerin durumunu kontrol etmek için aktif filtrelere ve batarya ömrünü uzatmak için aşırı bir örnek oluşturur.Şu anda daha geniş elektronik pazarlara hile yapan özel yeniliklere sahiptir.
Birincil Konsolidasyon Olarak Güç Verimliliği
Çoğu giyilebilir, bataryaya güçlüdür ve tek bir şarjda günler veya haftalar boyunca çalışmalıdır. Aktif filtreler, bu da yükseltici devreleri ve önyargı devreleri aracılığıyla güç kullanan, toplam sistem çalıştırıcısı, minimum enerjiyi çizim ederken işlevleri korumak için aktif filtrelere izin verebilir. Örneğin, nanoamperyazarlıklarında çalışan birçok modern giyilebilir sağlık sensörleri, düşük saat frekanslarında çalışan birçok modern aşınmalı filtreye kadar çalışır.
Signal Integrity in Compact Systems
Giysilenebilirler, dijital işlemcilerin Proximity of digital Processs, kablosuz transceivers ve güç yönetimi devreleri elektromanyetik müdahale yaratır (EMI) bu, sinir bozucu okumalar genellikle düşük çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılabilir.
Form Faktörü ve Mekanik Flexability
Giysiler veya PET-film transistörleri kullanarak yapılan fiziksel tasarım, cilt destekli sağlık yamaları gibi uygulamalar için bile geliştirilmiştir.Bu, silikon bazlı filtrelere daha az performans gösterdi, bu esnek aktif filtreler, giyim ve biyomedikal cihazlara sorunsuz bir şekilde entegrasyon vaadi sunar.
Anahtar Yenilikler Modern Aktif Filtreler
Belirli teknolojik yeniliklerin bir kısmı, miniaturizasyon ve giyilebilirlerin zorluklarıyla karşı karşıya kalmaları için aktif filtreler etkinleştirdi.
Yüksek Entegre Filtre ICs
Analog cihazlar, Texas Instruments ve Maxim Integrated, birden fazla biquadratik filtre bölümlerini birleştiren filtre IC'leri ve 2 mm × 2 mm olarak paketlerde dijital konfigürasyon arayüzlerini birleştirerek, bu cihazlar tasarımcıların düşük geçit, yüksek frekanslı filtrelerini ve SPI veya I2C ile ayarlanan frekansları birleştirebilmelerini sağlar.
Low-Noise, Low-Power Amplifier Architectures
Operasyonel yükselteç en aktif filtrelerin kalbidir. Modern ultra-düşük-güçlü amorflar, 10 nV/POSHz'nin altında μA. gibi μA. teknikleri, chopper stabilizasyon ve oto-zeroing azaltımı ve 1/f gürültünün kalbidir, bu özellikle de DC biyo-fikirv ölçümler için kullanılabilir EEG ve ECG monitörleri için önemlidir.
Esnek Altstrate ve Roll-to-Roll Fabrication
Gerçekten giyilebilir veya implant edilebilir cihazlar için, katı silikon ICs her zaman ideal değildir. Araştırma grupları, morföz silikon kullanarak esnek substratlar üzerinde aktif filtreler göstermiştir, IGZO ve hatta karbon nanotüp transistörleri olsa da, bu teknolojiler şu anda daha düşük frekanslı (kHz aralığı), birçok biyopotansiyel ve sıcaklık algılama uygulamaları için yeterli değildir. Roll-to-roll üretim süreçleri daha düşük maliyetlere söz verir ve büyük dağıtım sağlar.
Dijital Signal Processing, bir Complement olarak
Birçok modern giyilebilirde, analog aktif filtre basit, düşük güç analog filtrelerini kullanarak basit bir filtreye hizmet eder, ancak filtrenin miktarı dijital olarak analog-dijik dönüşüme yol açabilir.Bu hibrit yaklaşım, basit bir şekilde filtrelenen görevlerin verimliliğini artırır, çünkü bu eşanlamlı bir karmaşıklıktan kaçınır.
Malzeme ve Fabrication Advances
Aktif filtrelerin evrimi yarı iletken malzemeler ve üretim süreçlerindeki gelişmelerden memnundur. Silikon CMOS işhors kalır, ancak özel süreçler belirli ihtiyaçları ele almak için ortaya çıktı.
[FONT:0]Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS), daha yüksek işletim frekansları ve daha düşük güç tüketimine izin veren parasitik kapasitans ve sızıntıları azaltmaktadır. SOI- bazlı filtreler Bluetooth ve Wi-Fi sinyal Klima için yaygındır.
[FONT:0)Gallium Arsenide (GaAs) ve Silikon Almanium (SiGe)) teknolojiler daha yüksek hız sağlar (ortalama) ve radar tabanlı jim algılama gibi uygulamalar için ultra geniş bant filtrelerinde kullanılır. Ancak, yüksek maliyet ve güç tüketimi onları premium takmak için sınırlandırır.
[FONT:0]3D İntegra ve -Silicon Vias (TSVs)) Aktif filtrenin MEMS sensörleri, işlemciler ve bataryalarla birlikte dikey olarak yığılmasına izin verebilir. Bu, ayak izi dramatik ve kısa bir şekilde birbirine bağlar, sinyal bütünlüğü geliştirmek için kullanılabilir.
Aktif Filtre Teknolojisindeki Future Trends in Active Filter Technology
İleriye bakıldığında, aktif filtre bileşenleri giderek daha akıllı ve miniaturized giyilebilirs ihtiyaçlarına yanıt olarak gelişmeye devam edecektir. Birkaç trend önümüzdeki on yıl hükmetmek muhtemel.
Adaptive Filtreler
Makine öğrenme algoritmaları, kullanıcı gürültülü bir ortama girdiğinde doğrudan sensör düğümleri entegre edilir.Bu akıllı filtreler, öğrenilmiş gürültü kalıplarına göre özelliklerini ayarlayabilecek şekilde genişletilebilir. Örneğin, akıllı bir gözlemde aktif bir filtre otomatik olarak kesme frekansına girebilir, kullanıcı gürültülü bir ortama girdiğinde, sinyal kalitesi manuel müdahale olmadan.
Enerji-Harvesting ve Kendi kendini Güçlendirmiş Filtreler
Gelişen giyilebilir cihazlar, vücut ısısından, hareketten veya çevre ışıklarından gelen enerjileri tamamen ortadan kaldırmak için hedefler koymayı amaçlamaktadır.Bu sistemler için Active filtreler, fotooamperya şu anki düzeylerde çalışmalıdır ve çok hızlı bir şekilde başlayın. Araştırma, ultra kapasiteli veya pastazo enerji dönüşümü kullananlar gibi, düşük bant genişliği uygulamaları için dış güç tedarikini gerektiren filtreler üretebilir.
Implantable ve Bio uyumlu Filtreler
Tıbbi giyilebilirler, kronik hastalık yönetimi için tam olarak implant edilebilir cihazlara yönelik cilt temasından hareket ederler.Spektif olarak kontraksiyonel sensörler için kullanılan Active filtreler, biyoakonomik olarak mühürlenmiş ve yıllarca az sürüklenme ile çalışır. İnce film kaplamaları, seramik paketler ve CMOS süreçleri bu sonraki sınırda kullanılan filtreler, örneğin, son derece düşük gürültü (1 μV rms) ve yüksek ortak film kaplamaları tespit etmek için reddedilmesi gerekir.
Kuantum Sensör İşareti
kuantum sensörleri (örneğin, NV-diamond magnetometreler, atom saatleri) minimser hale gelirken, aktif filtrelerin kriyojenik veya yüksek sıcaklıklarda son derece küçük sinyalleri ele alabileceklerini önerir. Gürültü, lineerlik ve bant genişliği talepleri yarı iletken teknolojisini sınırlarına itecektir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Aktif filtre bileşenlerinin ayrı bir artırılmış, güç verimli ve mekanik olarak esnek sistemler aynaları, elektronik minimizasyonun daha geniş yörüngelerini kapamayarak ve hatta giyilebilir bir teknoloji talepleri ile birlikte bir araya gelmeye devam ediyor, mühendisler tek bir direnç altyapısıyla meşgul bir kez daha akıllı tekstil ve akıllı filtreler sadece daha küçük bağımsız enerji kaynaklarına sahip değiller, daha akıllı sistemlerde daha güvenli olmayan faktörlerle karşı karşıya kalacaklardır.