CMOS Operasyonel Amplifier Dominate Modern Sensör Tasarımı

Modern dünyada neredeyse her elektronik sistem temelinde bütünleşik sensör modülleri. Bu modüller, dijitalleşme veya daha fazla işlemeden önce ısı, basınç, nem, ışık yoğunluğu ve kimyasal konsantrasyonlar gibi fiziksel fenomenleri tercüme edebilir. Operasyonel yükselteçler ve işlemciler yorumlayabilir ve algılayıcılar kendilerini oldukça zayıf çıktılar üretirler, genellikle mikro voltlar veya milisler için, sayısal olmayan tasarıma giriş ve diğer tüm otomatikleştirmeler için hassas bir şekilde otomatikleştirilmelidir.

Modern sensör sistemleri giderek daha sıkı kısıtlamalar altında çalışır.Enter edilebilir sağlık monitörleri, kompakt, maliyet-malzeme sistemleri için gerekli olan yüksek entegrasyon seviyelerinin gerçekleşmesine izin verirken, yeni sensör modülleri olmadan yıllar boyunca hayatta kalmaları ve tıbbi implantlar, doğru ölçümler teslim ederken, doğru ölçümler sunmaları gerekir. CMOS op-ampsiyonel bu makaledeki tüm sinyal zincirinin tek bir çip üzerinde fark edilir.Bu makale, CMOS-amp teknolojisi için gerekli olan teknik temelleri inceler için, onlara pratik kontrol sistemleri sağlar.

CMOS Operasyonel Amplifier Teknolojisi

Çekirdeklerinde, CMOS operasyonel yükselteçler, mevcut kontrol edilen cihazlara güvenen çiftleri kullanıyor, CMOS op-amps, neredeyse sonsuz DC giriş aşamalarını, yüksek çözünürlüklü yükselteçleri ve ) bipolar klübünlerden farklı olarak, yani, analog sistemlerden ne kadar iyi performans gösteren, analog devrelerin ve sayısal devrelerin içinde gelişmiş ve sayısal devrelerin tam olarak küçültülmesine izin veriyor.[Döneticiler.[Döneticiler, yüksek çözünürlükte)

Bir CMOS op-amp giriş aşaması genellikle düşük ses gürültüsü özellikleri için seçilen bir MOSFET'lerin bir çiftini kullanıyor. Tasarımcılar p-kanıtlı veya n-kanı giriş çiftlerini gerekli ortak-mode gerilim aralığına bağlı olarak seçerler, CMOS-to-rayın işlemi veya belirli bir tedarik gerilimleri için optimize eder.Seks yazılımın şarj edilebilir bir şekilde kullanılması gibi gelişmiş mimariler, bu kadar yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte elde edilen yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte sağlarlar.

Erken CMOS op-amps yaygın olarak yavaş ve gürültülü olarak görülüyordu, ancak modern derin-submikron süreçleri bu algıyı dramatik bir şekilde değiştirdi. Chopper stabilizasyon ve oto-zeroing teknikleri şimdi 5 nV / stantlı yüksek çözünürlükte yayınlanan araştırmaya göre, daha önce talep edilen hassas sensör uygulamaları için uygun hale getiriyor.

Sensör Sinyal Durumlamanda Temel Avantajlar

Ultra-Low Power Tüketim Enables Battery-Powered Designs

Pil-güçlü sensörler, enerji-harvesting cihazları ve implantable tıbbi elektronik, kanaldaki birkaç milimetreyi algılamak için yeterli miktardaki tipik olarak ayarlayabilir. CMOS op-amps doğal olarak sadece geçiş olayları sırasında mevcut olan ve statik güç dağılımı, alt-tavücut bölge tasarımları için nanowattlar için uzun süre boyunca kapalı tutmaz.Akustik genel amaçlı CMOS amorflamalar için 10 ila 50 mikroampiyonlar için son derece uygundur.

Dışsal Giriş Impedance Engelleri Signal Yükleniyor

Sınırlı ölçümler ve direnç sıcaklık dedektörleri (RTD) küçük gerilimler üretirken, MEMS dahil kapasitif sensörler küçük şarj paketleri üretir. Düşük hızlı yükselteç girişleri bu şarjı azaltır, özellikle de fotoyotlama ve inaktörel okumalar için değerli kanıtlar verir.

Monolithic Integration Footprint ve Maliyetleri azaltır

CMOS teknolojisi, birden fazla algikasyonun, programlanabilir yükselticilerin, gerilim referanslarının ve tek bir silikon substratına kablosuz transcerelerin entegre edilmesini sağlar. Sonuç, iki mm'ye kadar sadece 2 mm'lik bir miktar paket içeren sensör modüller içeren sensör modüllerin tek paketlerini ölçtüğünde, örneğin, üç MEMS sensörü, CMOS amplifikatörü entegre eder ve aksi takdirde devre dışı kalırken, aksi takdirde elektriksel devreleri azaltır.

Düşük Gürültü Performansı Signal Integrity

Sensör sinyalleri genellikle gürültüde gömülüdür ve yükselteçli 10 Hz.Örnek sensörleri için uygun bir şekilde ekseğe sahip olmalıdır.Chopper-stabilized architectures, which are practical in CMOS because of the correcting hours of the correcting circuits, the lips to a high frequency where the correct-sizes.

Geniş Band genişliği ve Rail-to-Rail Operasyon Max’i yükseltiyor

Erken CMOS op-amps yüksek frekanslarda yüksek kazanç sağlamak için mücadele etti, ancak hızlı veri satın alma sistemlerinin talepleri, 50 MHz'in ötesinde, mikroampaj aşamalarını kolayca optimize ederken, düşük tek başına gerilimlerden çalışan sensörler sistemleri, giriş/ ⁇ CMOS amplifikleri ile birlikte raylı sistemlere geçiş yapan yükseltilebilir.

Sensör Uygulamaları için Tasarım

Birçok güçlülüğe rağmen, mühendisler bir CMOS af-amp'ı sensör modülü için seçerken birkaç ticarete binmelidir. Giriş önyargısı mevcut, oda sıcaklığında son derece düşük iken, eğimli sızıntı nedeniyle yüksek sıcaklıklarda artış gösterebilirler. 85 derece ve yukarıdaki uygulamalar için, önyargılar genellikle daha fazla yükselebilir, ancak yükseltici davranışın tüm sıcaklık aralıklarını tahmin etmesi gerekir.

Gergin gürültü başka bir önemli faktör temsil eder. Modern CMOS op-amps boşluğu önemli ölçüde kapattı, termal gürültü zeminleri genellikle yüksek frekanslarda eşdeğer iki alternatiften daha yüksek olabilir. Uygulamanın belirli ihtiyaçlarına karşı geniş bir gerilim gereksinimleri için, JFET veya bipolar giriş, sensör açma oranı dahil olmak üzere, kablolama sistemi de dahil olmak üzere, tüm sinyal açma sistemleri, performans hızı ve genel gürültüyü dikkatlice belirlemeli.

Elektromanyetik müdahale bağışıklıkları da endüstriyel ve otomotiv ortamlarında kritiktir. CMOS op-amps, giriş aşamasında RF retificationten muzdarip olabilir, bu da DC amplitüdlerine veya kablosuz alıcılara bağlı olarak, 1000'den fazla satıcıyı bir araya getirirken, bir bileşene entegre ettiğinde, kontrol etmeli ve RF ölçümleme işlemine izin vermemelidir.

Karşılaştırmalı CMOS ile Bipolar ve JFET Op-Amps

CMOS op-amps'in güçlü yönlerini tamamen takdir etmek için, onları doğrudan alternatif teknolojilerle karşılaştırmak yardımcı olur:

  • [BJT) Op-Amps: Bu cihazlar 1 nV/pilot ve çok yüksek açık-loop kazanmaktadır, ancak mikroamp aralığında ve yüksek güç tüketimi nedeniyle genellikle önemli giriş önyargılarından muzdariplerdir.
  • [FONT=0]JFET Op-Amps: Bu yükselteçler, pizoelektrik transdüserleri ve bazı kimyasal sensörler gibi yüksek hacimli sensörler için sıklıkla tercih edilir. Ancak, hızlı bir şekilde dijital CMOS devreleri ile kolayca entegre edilemezler ve tedarik gerilimi daha sınırlıdır.
  • [FONT=0]CMOS Op-Amps:[Dönetici] Bu cihazlar ultra sağdaki güç, yüksek entegrasyon kapasitesi ve giderek daha rekabetçi gürültü performansına sahipler.Screatif, multi-sensor ve karma-signal ICs için, yükselticinin yalnızca bir işlevsel bloku birçok arasında temsil ettiği gibi düşük maliyetli hale getirirler.

Uygulamada, giyilebilir bir fitness pisti, birçok orta hacimli endüstriyel tasarım için hala bipolar af-amp kullanabilir, çünkü pil hayatı ve küçük ölçekli mikrofonu bipolar cihazlardan yararlanırken, CMOS'u daha düşük maliyet ve daha küçük bir pakettir.

genişletilmiş Uygulama Manzarası

Industrial Otomasyon ve IoT Sensör Ağı

Fabrika zemin sensörü ağları, düşük maliyetli bir batarya veya enerji tasarrufu kaynağından yıllarca çalışırken geniş sıcaklık hızlarına ve elektrik gürültüsüne dayanmalıdır. CMOS op-amps in pressures and near detect devices often use 4-20 mA loop-güçlü tasarımları tüm devre mevcut bütçenin 4 mA. Microchip's MCP6 serisinden altında kaldığını, örneğin, düşük sıcaklık aralığına göre daha az bilgi veren ve ESD koruması sağlar.

Tıbbi cihazlar ve uygulanabilir Sağlık İzlemeleri

Elektrocardiogram (ECG) yükselteçleri, elektroensefaz (EEG) yükselticileri ve naif oximeter sensörleri hem yüksek ortaklı rejiksiyon ve negable sızıntıları hasta veya mikro volt seviyesindeki potansiyelleri ölçmek için mevcut olan. CMOS op-amps ile entegre edilmiş küçük devreler hem de parmak izi devreleri her iki hasta güvenliği ve sinyal açıklık sağlar.

Otomotiv Sensör Sistemleri

Modern araçlar, AEC-Q100 sertifikasyon standardına göre 100'den fazla sensör paketler.Dekanlıklı sıcaklıklar 125 dereceyi aşabilir ve raylar büyük geçiciler taşır. Otomotiv-telif CMOS op-amps toplantısını AEC-Q100 sertifikasyon standardı, CMOS tabanlı mimarilere rağmen hassas tutmalıdır, ki bu yüksek çözünürlükte hız kaybın nasıl azaltıldığı, yüksek çözünürlükte otomatik olarak otomatik olarak sabitlenmeli sistemlere göre hızlanır.

Tüketici Elektronik ve Akıllı Ev Cihazları

Akıllı hoparlörlerden akıllı telefonlarda kapasitif dokunuş sensörlerine, CMOS op-amps, analog ön uçları kompakt, maliyete duyarlı form faktörlerine olanak sağlar. mikrofon önbellekleme IC genellikle I2C otobüsünü ve düşük güç CMOS ses tamponunu içerir, ADC'yi doğrudan yönlendiren, aynı şekilde, çevre ışık sensörleri ve yakın dedektörleri, tüm disko fotodiyotları 10 inç transimpedans amplifikatörleri ile entegre eder.

Future Yol ve Gelişen Trendler

Nesnelerin interneti daha düşük güç ve daha yüksek entegrasyon için talep ettiği gibi, CMOS op-amps, sensör elementini ve yükselticileri tek bir milimetreden daha az ölçmeye devam edecektir.Gereksiz hafıza ve dijital kesme işlemi fabrika kalibrasyonunu tek güneş hücrelerinden veya termoelektrik jeneratörlerinden doğrudan güç sağlar.

Belki de en heyecan verici gelişme, bir sinir ağ hızlandırıcısını beslemeden önce CMOS analog devrelerinin yakınlaştırılmasıdır. Bu mimari, her zaman sesli aktivite dedektörleri ve jim tanıma IC'lerde belirgindir. Sektör, ham verilerden ziyade, raporla ilgili kararlara doğru hareket eden akıllı sensörler olarak, CMOS operasyonel yükselteçleri, CMOS operasyonel yükselteçleri aynı şekilde fiziksel gerçeklikleri ortaya koyan sessiz motor olarak kalacaktır.

Sürdürülebilirlik ve eco-design düşünceler aynı zamanda amortif bir şekilde etkilenmektedir. Üreticiler artık ayrıntılı yaşam döngüsü değerlendirmelerini yayınlar ve liderliksiz, yarıojen-özgür paketler sunar. CMOS operasyonel yükselteçlerin avantajları onları verimli bir şekilde işletmeye ve genişletmek için gerekli bir bina bloğu haline getirecek, elektronik atıkları azaltmaya katkıda bulunacaktır, sadece çevresel bilinçli ürün tasarımı için önemli bir faktör. Gelecekteki sensör modülleri daha küçük enerji bütçelerini ve daha sıkı entegrasyon talep ettiğinde, CMOS operasyonel yükselteçlerin avantajları onları, CMOS operasyonel yükselteçlerin avantajlarını sağlayacaktır.