Düşük güç operasyonel yükselteç (op amp) devreleri, batarya destekli sensör ağlarının temel gereksinimidir. Bu ağlar, bataryaların değiştirilmesinin pahalı veya pratik olduğu ortamlarda dağıtılır - çevresel izleme istasyonları, tarımsal IoT düğümleri, endüstriyel varlık parçaları, ve giyilebilir sağlık cihazlarının hepsi, analog ön uçları, sık sık sık sık amplifik sistemi çizimleri etrafında inşa edilir.
Op Amps
Bir af amp'in gücü tüketimi, toplam tedarik akımının ürünüdür (I) ve tedarik gerilimi (V)[Döneticileri) ve mevcut toplam tedarik süresi iki büyük bileşene sahiptir: quiescent current (I).Q).
Quiescent Current (I)Q).
Quiescent akımı, sinyalin olmadığı zaman artırılmış ve çıktı boştur.[4] Cihazın ilk alt noktası, amplifikatöre göre, [[Dörtücükler[Döntücükler)[Döneticileri sıralaması için 100 μA ile 100 μA arasında genellikle bölünmüştür.
Supply Current vs. Load Current
ADC girişi veya bir filtreleme ağı gibi artırılmış olan arsa - bu mevcut ek akımı sağlamak gerekir. Bu akım yük direnci tarafından bölünmüş olan çıktı gerilime göre kabaca orantılıdır.In sensör ağlarında, yükler genellikle yüksek derecede engellenir ve sadece gerekli olduğunda tampon kullanmalıdır.
Dinamik vs. Statik Güç
Bazı sistemlerde, amp amplitüd aktif ve uyku devletler arasında geçiş yapılır. Dinamik güç tüketimi geçişler sırasında meydana gelir ve yükselticiler aktif olarak işleme sinyallerinde gerçekleşir. Düşük hızda sensör ağları, yükselticinin yalnızca birkaç milisaniye için aktif olduğu yerde, ortalama güç, hızlı uyanma ve kapanma modları için destek sağlayabilir.
Low-Power Op Amp Devreleri için Anahtar Tasarım Stratejileri
Uygun bir af amp seçmek sadece çözümün bir parçasıdır. Çevre devre topoloji ve işletim koşulları düşük güç cihazının potansiyelini gerçekleştirmek için optimize edilmelidir.
Ampirik Kriterleri Beyond I)Q).
- [FONT:0)Gain Band geniş ürün (GBW): Ultra-low-power ampleri genellikle birkaç kHz aralığında birkaç yüz kHz vardır. Anahtarlama hızı yüksek iç önyargı akımları için yeterli olan bir cihaz seçin, artan I).
- [FONT:0)Input Offset Gerilim ve Drift: Low-power tasarımları genellikle hassas direnç ve geri bildirim ağlarını kullanır. büyük bir giriş dengeleme aşaması, 1 mV ve düşük sıcaklık için sabit performans için parçalara bakınız.
- [FONT:0)Rail-to-Rail Giriş/Output (RRIO): [Dönetici için düşük tedarik gerilimleri için RRIO, ekstra ray bileşenlerine ihtiyaç duymadan sinyal salladı. Bu özellikle tek bir 1.8 V veya 3.3 V tedarikinden işletme sırasında önemlidir.
- [FONT:0)Shutdown Pin Availability:[Dönetici:[Dönetici:0)I)Q) cihazı boş zaman nanoamplara kadar, bu, bisikletli çalıştırılan batarya destekli tasarımları için gereklidir.
Supply Voltage Optimizasyon Optimizasyon Optimizasyonu Optimizasyon Optimizasyon Optimizasyonu Optimizasyon Optimizasyon Optimizasyonu
Power tüketimi, tedarik gerilimi ile lineer olarak ölçeklenir. hala giriş ortak modu ile toplandığında ve çıkış hızlanan gereksinimlerin azaltılması için doğrudan bir yoldur. Örneğin, 0-2.5 V çıkışı ile bir sensör, veri sayfasının yaklaşık yarısı kadar 2.7 V düzenleyicisinden faydalanabilir.
Band Wide Limiting
Gereksiz olmayan bant genişliği gürültüyü davet eder ve mevcut olan eğimi arttırır. Birçok düşük güç a amplifütürü dış bir tazminat cihazı ile bantlama işlemine izin verir (örneğin, 100 Hz).
Güç Gating ve Duty Bisiklet
Sensör ağlarında, ölçüm aralığı genellikle iki şekilde uygulanmalıdır: Tek bir afiğe veya toprak nezaretine sahip olmak 10 ms aktif örneklemeye ihtiyaç duyabilir.Ayrle 599.99 saniye boyunca, af ampating tamamen güçlendirilebilir. Power gating iki şekilde uygulanabilir: tek bir aflama pimini kullanarak veya dışsal bir amplifiğe sahip olmak için MOSFET'ye ihtiyacınız olabilir.
Biasing ve Feedback Optimizasyon
Geri bildirim ağındaki dirençler, yüksek değerli dirençler için dikkatli bir şekilde seçilmelidir. Yüksek değerli direnççiler (örneğin, 1 MULLAH) mevcut çizimleri azaltır, ancak mevcut geri bildirimde bulunan bir birlik ve eşdeğerlik, düşük değerli geri dönüşler için gürültü bağışıklığı artırmak için ek olarak, düşük frekanslı geçiş noktaları artırmak için tipik bir uzlaşma.Örneğin, inverme aşamalarındaki giriş seviyesi yüksek oranda azaltılmalıdır.
Extreme Low Power için İleri Teknikler
Her mikroamp sayıldığında, daha agresif teknikler kullanılabilir.
Sub-threshold Operation
Bazı af ampleri, alt üst düzey bölgelerinde, mevcut yüklerin kapı gerilimi ile üst üste azaldığı yerde çalışır.Bu işlem I)Q = 450 nA, GBW = 8 kHz), en az dokunmak veya LPV801 gibi sinyallendiriciler için uygun şekilde çalışır.
Anahtarlı-Kapacitor Teknikleri
Anahtarlı kapasite yükselticileri sürekli akım çizerek şarj ve şarj edici küçük kapasitörler örnekleme hızında yaygın olarak kullanılırlar ancak ADC'lerde de kullanılırlar, ancak yüksek çözünürlükte sabitlemeli yükselteçler, yüksek çözünürlükte sabitlemeler ile sabitlenirler.
Adaptif Bias Control
Bazı uygulamalarda, sinyal amplitüdün yavaş değişir. Adaptif bir önyargı devresi, sadece daha büyük bir sinyal tespit edildiğinde ve küçük bir MOSFET kullanarak yüksek-bias ve düşük-bias modları arasında geçiş yapabilir.
Sensör Ağları için Pratik Tasarım
Af amp'in ötesinde, tüm sinyal zinciri optimize edilmelidir.
Battery Type ve Gerekülasyon
Pil kimyası seçimi hem gerilim hem de mevcut kapasiteyi etkiler. Örneğin, bir CR2032 madeni, 3 V ve ~225 mAh, bir AA alkalinin 1.5 V ve ~2500 mAh. Birçok düşük güç amplifübünü 5.5 V'e kadar çalışır, bu yüzden bir adım veya adım yükleme dönüştürücüye ihtiyaç duyabilir.[TFL225 mAh, değiştir]
Signal Integrity vs. Power Trade-off
Düşük güç yükselteçleri genellikle yüksek güç meslektaşlarından daha fazla gürültü üretirler. Sensör arayüzünün sinyal-noise oranı (SNR) gürültünün yönetilmemesi durumunda bozulabilir. Strategies şunları içerir:
- Gürültü bant genişliğini azaltmak için mikro kontroller ve bir şekilde takip edin.
- Kombinasyondan önce pasif bir RC düşük geçit filtresi ekleyin (bu güç tüketmiyor).
- Düşük gürültü yoğunluğu (nV/pilot) ile bir af amp seçmek, eğer ben (FLT:0)Q) biraz daha yüksek - I)Q[D[DDDD][/FONT=) genellikle SNR gelişimine değer.
Örneğin, Analog cihazlardan ADA4051 1.2 μA I)Q) ve 10 Hz'deki 160 nV / UTCHz gürültü, LT6010 (Analog Cihazları) 60 μA'yı sunar, ancak sensör yüksek çözünürlük gerektirir (örneğin, 16-bit), ikincisi ise, daha yüksek quisans'a rağmen daha iyi seçim olabilir.
Uyku Moduları ve Uyanık Tesir
Uyku modları mikrokontrollü ile dikkatli bir koordinasyon gerektirir. ADC'nin kapatılması, bir GPIO hattı tarafından kontrol edilebilir. Ancak, af amp kapatıldığında, o zaman çıkış, yüksek kesintili bir duruma gidebilir.Eğer çıktı bir mikro kontrole bağlıdır ADC, ADC girişinin, bir dizi geçişin (örneğin, küçük bir analog geçiş) ile ayırt edilebilir olmasını sağlar.
Reliability için programlanabilir
Düşük güç sensörü ağları genellikle geniş sıcaklık aralıkları üzerinde çalışır (örneğin, kapalı -40C'den +85°C'ye kadar) Pasif bileşenler kapasitörler ve direnç gösteren 10 MULL) mevcut ısı ile ısıtılır. X7R veya C0G dielektrikli bir kapak ayarı ile çalışır; elektroliz kapasitörler yüksek sızıntıya sahiptir ve düşük güç tasarımları için uygun olmayan yüzeyler için tercih edilir. Yüksek değerli dirençler (above 10 MULL)
Örnek: Low-Power Sıcaklık Sensöri Geliştirme
Bu ilkeleri göstermek için, her 5 dakikada bir batarya güçlü bir çevresel node düşünün. sensör bir gerilim-divider konfigürasyonunda bir antatördür. Çıktı düşük güç mikro kontrollerinde yer alan 12bit ADC (e.g., STM32L0 veya EFM32).
- [FONT:0)Op amp seçimi: [Dönetici: [Dönetici:2] [I) = 1 μA, GBW = 13 kHz, RRIO, kapatma).
- [FONT:0)Supply voltaj:[Dönemli bir V:[Dönemli bir gerilim) veya aynı demiryolundan yararlanarak 3,3 V mikro kullanarak amplifiğe sahip bir V nominal.
- [FONT:0)Band genişlik: [Dönder: [Dönder: 0,3] Thermistor sinyali yavaş yavaş (0.1 Hz) Daha yüksek bant genişliğine ihtiyaç duymamak için 10 kULL / 10 μF RC filtre ekleyin.
- [FONT:0)Feedback direniciler:[Dönetici:2]Q) Bunu azaltmak için mevcut olan 25 μA'daki geri bildirim ağı üzerinden devam eder.
- [FONT:0)Power gating:[Dönetici 1] Mikrokontroller her 5 dakikada uyanır ve amp amplif (saj pin aktif yüksek) 5 ms yerleşmeden sonra ADC (shutdown) ⁇ 33 nA ortalamaya karşı gelir.
- [FONT=0)Battery yaşam tahmini:[Dönetici:[Dönetici:0))) 1000 mAh batarya (e.g., iki AA alkalin seride), analog cephe tek başına 1 milyondan fazla (114 yıl) Uygulamada, mikro kontroller ve sensör hakim olacaktır, ancak af amplifikasyon artık şişen.
Low-Power Op Amp Design için araç ve kaynaklar
Simülasyon önemlidir. Üreticilerin mevcut ve geçici davranışları kontrol etmesi için SPICE modellerini kullanın. Birçok IC satıcısı online tasarım araçları sunar:0:Texas Instruments' op amp Selection guide) ve [[Dönetici Araması[Döneticileri)[Döneticileri için filtreleme izin verir[Döneticileri için[Döneticileri değiştir][Döneticileri için geçerli notlar için [Döneticileri için geçerli notlar için).
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Düşük güç artırılmış amplitüdleri bataryaya dayalı sensör ağları için tasarlayın, uygun bir yükselteç seçerek ve tedarik gerilimi, bant genişliği, önyargılı ve görev bisikletleri kullanarak iletişimleri anlamak için, yük ve sinyal bütünlüğü arasındaki ilişkileri anlamak için, mühendisler, yüksek çözünürlükte yüksek doğrulukta nanomorsörlüğü artıran bir analog cephe oluşturabilirler.