أخبار التكنولوجيا

يحقق Zero-Drift Op-Amp الجديد دقة عالية بغض النظر عن التغيرات في درجات الحرارة



تعد مكبرات الصوت التشغيلية (Op-Amps) مكونات أساسية في كل من الإلكترونيات الصناعية والاستهلاكية مع استخدامات تتراوح من المهام البسيطة، مثل التضخيم الأساسي والتخزين المؤقت، إلى الوظائف المعقدة مثل التحويل التناظري إلى الرقمي، ومعالجة الصوت، وتضخيم إشارة الاستشعار. على الرغم من انتشارها في كل مكان، إلا أن المشكلة المستمرة في Op-Amps هي الانجراف الحراري – وهي ظاهرة يتغير فيها جهد إزاحة دخل مكبر الصوت بمرور الوقت ومع تقلبات درجة الحرارة.

يمثل هذا الانجراف مشكلة خاصة في التطبيقات الحساسة حيث قد تؤدي الانحرافات الطفيفة إلى حدوث أخطاء أو تدهور الأداء. سوف تستكشف هذه المقالة فوائد Op-Amps ذات الانجراف الصفري للحفاظ على الدقة والأداء المستقر بغض النظر عن تقلبات درجات الحرارة. وسوف يناقش أيضًا التكنولوجيا الأساسية والمزايا التي يتمتع بها Zero-drift Op-Amp من ROHM مقارنة بالأجهزة القياسية والتطبيقات المحتملة في الأنظمة الإلكترونية المختلفة.

تطور المضخمات التشغيلية في الاستشعار البيئي

تنتج أجهزة الاستشعار البيئية، مثل أجهزة استشعار درجة الحرارة والضغط والغاز، إشارات كهربائية صغيرة جدًا استجابة للتغيرات في الظروف البيئية، وهي ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن معالجتها مباشرة بواسطة المتحكمات الدقيقة. يمكن استخدام Op-Amps لتضخيم هذه الإشارات إلى مستوى يمكن التحكم فيه مع الحفاظ على سلامة المعلومات التي يلتقطها المستشعر. في تطبيقات السيارات، على سبيل المثال، يمكن لـ Op-Amps تضخيم الإشارات الصادرة عن أجهزة استشعار درجة الحرارة للتحكم الدقيق في المناخ. وفي الوقت نفسه، في البيئات الصناعية مثل المصانع الكيماوية، تعمل هذه المضخمات التشغيلية على تعزيز الإشارات الصادرة عن أجهزة استشعار الغاز لمراقبة مستويات الملوثات والتحكم فيها.

مع مرور الوقت، تطورت تقنية Op-Amp مع العديد من التطورات التي تهدف إلى تعزيز حساسية وأداء هذه المكونات. وفيما يلي بعض من أحدث الميزات:

  • حلول منخفضة الإزاحة ومنخفضة الضوضاء: تقدم Op-Amps الآن جهدًا منخفضًا لإزاحة الإدخال وضوضاء الإخراج بشكل كبير، وهي مثالية في الاستشعار البيئي حيث تكون القياسات عالية الدقة أمرًا بالغ الأهمية. يعمل التصميم منخفض الإزاحة على تقليل جهد إزاحة الإدخال بسبب عدم تطابق المكونات داخل مضخم التشغيل؛ تصميم منخفض الضوضاء يمنع الضوضاء الناتجة عن المضخمات التشغيلية من تدهور الإشارة.
  • عرض نطاق ترددي أعلى وأوقات استجابة أسرع: نظرًا لأن الظروف البيئية تميل إلى التقلب بسرعة، يركز المصنعون على إنشاء مضخمات تشغيلية ذات عرض نطاق ترددي أعلى وأوقات استجابة سريعة. تضمن هذه الخصائص مواكبة مكبرات الصوت للتغيرات السريعة في مخرجات المستشعر، مما يوفر الوقت الفعلي قراءات دقيقة.
  • تكامل إنترنت الأشياء/الحافة: في أنظمة إنترنت الأشياء/الحافة والتطبيقات الذكية، تم تصميم Op-Amps للتكامل مع وحدات التحكم والمعالجات الرقمية، والتي تتضمن ميزات مثل المحولات التناظرية إلى الرقمية المدمجة وواجهات الاتصال.
  • المتانة البيئية: تم تصميم المضخمات التشغيلية المدمجة في الأنظمة الصناعية أو أنظمة السيارات لتحمل درجات الحرارة العالية والرطوبة والضغوط الميكانيكية. تضمن هذه المتانة موثوقية وطول عمر أنظمة الاستشعار هذه.

الحاجة إلى الدقة في أجهزة الاستشعار البيئية

تعمل أجهزة استشعار درجة الحرارة، مثل المزدوجات الحرارية أو RTD (كاشفات درجة حرارة المقاومة)، على توليد تغيرات صغيرة جدًا في الجهد استجابةً للتغيرات في درجة الحرارة المحيطة. يتم استخدام Op-Amps في هذه المستشعرات لتضخيم هذه الإشارات الدقيقة وغالبًا ما تتضمن ميزات مثل CMRR العالية (نسبة رفض الوضع العام) لتصفية الضوضاء وضمان قراءات دقيقة. تعتمد مستشعرات الغاز المستخدمة للكشف عن تركيز الغازات المختلفة في البيئة أيضًا على Op-Amps لمعالجة الإشارات الصادرة عن مستشعرات الانتشار الكهروكيميائية أو الحفزية، ويجب أن تكون هذه المستشعرات حساسة للغاية وقادرة على اكتشاف التغيرات الصغيرة في مخرجات المستشعر – وكذلك كونها مقاومة للبيئات المسببة للتآكل حيث يتم استخدام أجهزة الكشف عن الغاز.

وبالمثل، فإن أجهزة استشعار الضغط لمراقبة العمليات الصناعية والتحكم فيها توفر خرج جهد استجابة لتغيرات الضغط. تحتاج Op-Amps المستخدمة في مثل هذه التطبيقات إلى الحصول على مكاسب تفاضلية عالية وثبات لتضخيم الإشارات بدقة. تُفضل مكبرات الصوت منخفضة الانجراف في هذه التطبيقات لقدرتها على الحفاظ على أداء ثابت مع مرور الوقت وظروف درجات الحرارة المتغيرة. يمكن أن تؤدي الأخطاء الطفيفة في تضخيم الإشارة إلى قراءات خاطئة. ويؤدي هذا إلى مخاطر محتملة، خاصة في البيئات الصناعية حيث يعد الكشف في الوقت المناسب عن الغازات السامة أو الضغوط العالية أو درجات الحرارة المرتفعة أمرًا بالغ الأهمية. في مثل هذه التطبيقات، يجب على Op-Amps التأكد من أن الإشارات المضخمة تمثل تمثيلًا دقيقًا للمحفز الذي يتم مراقبته.

تحديات المضخمات التشغيلية في الاستشعار البيئي

تواجه مضخمات التشغيل التقليدية، والتي تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الاستشعار الحالية، تحديات في قياس إشارات الاستشعار الصغيرة جدًا. ترجع هذه القيود في المقام الأول إلى عاملين: جهد إزاحة الإدخال وانجراف درجة الحرارة. وفيما يلي نظرة فاحصة على كل من هذه التحديات.

إن جهد إزاحة الإدخال الخاص بـ Op-Amp هو جهد صغير يجب تطبيقه بين أطراف الإدخال لإبطال جهد الخرج عندما تكون المدخلات في نفس المستوى بشكل مثالي. يرجع هذا الإزاحة إلى الاختلالات المتأصلة في مرحلة إدخال Op-Amp. على الرغم من أنه لا يكاد يذكر، فإن جهد الإزاحة هذا يمكن أن يؤدي إلى خطأ كبير في التطبيقات التي تكون فيها الدقة العالية أمرًا حيويًا. على سبيل المثال، في تطبيقات الاستشعار الحالية حيث يتم تحويل التيار إلى إشارة جهد عند مستوى منخفض، يؤدي جهد إزاحة الإدخال إلى تغيير جهد الخرج بمقدار يتناسب مع الكسب غير المقلوب.

وهذا يؤدي إلى قياسات حالية غير دقيقة. في محولات التحكم في الطاقة، قد تؤدي أخطاء القياس الحالية إلى تحويل غير فعال، وخسائر عالية، وانخفاض الأداء. في تطبيقات السيارات مثل المركبات الكهربائية، يمكن أن يؤثر عدم الدقة هذا على نطاق قيادة السيارة أو صحة البطارية أو أنظمة السلامة. وعلى نحو مماثل، فإن أجهزة الاستشعار البيئية التي تحتوي على قياسات حالية منحرفة سوف توفر بيانات غير موثوقة، مما يؤدي إلى تقييمات بيئية غير صحيحة واتخاذ قرارات معيبة.

يشير انحراف درجة حرارة جهد إزاحة الإدخال إلى التغير في جهد إزاحة الإدخال مع اختلاف درجة الحرارة المحيطة – وهي مشكلة حرجة في التطبيقات التي تعمل عبر نطاق من درجات الحرارة أو في البيئات التي يسود فيها اختلاف درجات الحرارة. في محولات التحكم في الطاقة، يمكن أن تختلف درجة حرارة التشغيل بشكل كبير، مما يؤدي إلى انحراف في جهد إزاحة الإدخال، وبالتالي دقة الاستشعار الحالي. تواجه أنظمة السيارات التي تعمل في نطاق واسع من درجات الحرارة أيضًا مشكلات مماثلة، حيث يمكن أن يتسبب تقلب درجات الحرارة في انحراف جهد الإدخال، مما يؤثر على القياسات الحالية في الأنظمة المهمة مثل إدارة البطارية وضوابط السلامة.

LMR1002F-LB Zero-Drift Op-Amp من ROHM: الميزات والتطبيقات الرئيسية

يوفر LMR1002F-LB Zero-Drift Op-Amp من ROHM جهدًا كهربيًا منخفضًا للغاية للإدخال مع تقليل تقلباته بسبب درجة الحرارة. يقتصر LMR1002F-LB من ROHM على 9μV (كحد أقصى)، ويصل إلى جهد إزاحة أقل بكثير مقارنة بالمنتجات القياسية. يحقق LMR1002F-LB انجرافًا في درجة الحرارة يبلغ 0.05 ميكروفولت/درجة مئوية (كحد أقصى) عبر نطاق واسع من درجات حرارة التشغيل، مما يضمن بقاء الأداء ثابتًا بغض النظر عن التغيرات في درجات الحرارة.

تشتمل ROHM على دائرة مروحية في LMR1002F-LB لتصحيح جهد الإزاحة الديناميكي. تم تصميم هذه الدائرة لاكتشاف جهد الإزاحة المتولد داخل Op-Amp وتصحيحه تلقائيًا عبر التحكم في الدائرة الرقمية. يلغي هذا التصميم جهد الإزاحة عن طريق تغذية جهد الإزاحة المخزن كسعة في الدائرة عبر دائرة تحويل الجهد الحالي.

الشكل 1: مخطط كتلة LMR1002F-LB (المصدر: ROHM Semiconductor).
الشكل 1: مخطط كتلة LMR1002F-LB (المصدر: ROHM Semiconductor)

نطاق واسع لجهد الإمداد والإدخال/الإخراج من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية

يعزز نطاق جهد الإمداد الذي يتراوح من 2.7 فولت إلى 5.5 فولت والإدخال/الإخراج من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية تعدد استخدامات LMR1002F-LB Op-Amp في بيئات الطاقة المختلفة. تعتبر هذه الميزة بالغة الأهمية في تطبيقات السيارات، حيث تواجه الأنظمة الكهربائية تقلبات بسبب ظروف التشغيل المختلفة. في البيئات الصناعية، تعد القدرة على العمل عبر نطاق جهد واسع أمرًا بالغ الأهمية أيضًا نظرًا للطبيعة المتنوعة لإمدادات الطاقة الصناعية والحاجة إلى التوافق مع أنواع وواجهات أجهزة الاستشعار المختلفة.

الشكل 2: انحراف درجة الحرارة LMR1002F-LB مقابل المنتج القياسي منخفض الإزاحة (المصدر: ROHM Semiconductor).
الشكل 2: انحراف درجة الحرارة LMR1002F-LB مقابل المنتج القياسي منخفض الإزاحة (المصدر: ROHM Semiconductor)

تقليل المكونات الطرفية وتعديلات البرامج

تضمن ميزة الانجراف الصفري في LMR1002F-LB التي تم تحقيقها من خلال طريقة المروحية، الحفاظ على جهد إزاحة الإدخال عند مستوى منخفض يبلغ 9 ميكروفولت، وهو أقل بشكل ملحوظ مقارنة بـ Op-Amps القياسية ذات الإزاحة المنخفضة. يؤدي هذا الانخفاض الجذري في جهد الإزاحة إلى إلغاء الحاجة إلى مكونات طرفية إضافية (بما في ذلك المكثفات والمقاومات) اللازمة لمواجهة الفولتية العالية الإزاحة في Op-Amps القياسية، مما يؤدي إلى تصميمات دوائر أكثر انسيابية وصغيرة الحجم. وبالمثل، فإن انخفاض جهد إزاحة المدخلات يقلل من الاعتماد على تعديلات البرامج وإجراءات المعايرة المستخدمة للتعامل مع مشكلات الانجراف. يمكن لـ LMR1002F-LB أيضًا تحسين توفير التكاليف في مراحل تطوير المنتج والإنتاج. لا يؤدي انخفاض عدد المكونات إلى خفض فاتورة المواد فحسب، بل يمكنه أيضًا تبسيط عمليات التجميع والاختبار. بالنسبة للمصممين والمهندسين، قد يترجم ذلك إلى دورات تصميم أكثر كفاءة، مما يوفر الوقت والموارد للتركيز على الجوانب الرئيسية الأخرى لتحسين النظام.

عملية درجة حرارة واسعة

يعد نطاق درجة حرارة التشغيل الواسع لـ LMR1002F-LB، من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية، أمرًا بالغ الأهمية للتطبيقات الصناعية وتطبيقات السيارات التي تعمل غالبًا في ظروف بيئية قاسية. تضمن هذه المتانة أداءً موثوقًا به في درجات الحرارة القصوى. يعد هذا الاستقرار ضروريًا للتحكم الدقيق ومراقبة العمليات الصناعية مثل إنتاج الأدوية، حيث يمكن أن تؤدي الاختلافات الطفيفة في درجات الحرارة إلى مشكلات كبيرة في الجودة. بالنسبة لتطبيقات السيارات مثل السيارات الكهربائية والهجينة، تسمح مرونة LMR1002F-LB ضد التغيرات في درجات الحرارة، بدءًا من ظروف الشتاء الباردة إلى الحرارة المتولدة تحت غطاء المحرك، لأنظمة الاستشعار بتوفير بيانات دقيقة، مما يساهم في السلامة والكفاءة الشاملة للمركبة.

التطبيقات الرئيسية

إن إمكانيات تضخيم إشارة المستشعر الخاصة بـ LMR1002F-LB Op-Amp من ROHM تجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من أنظمة مراقبة البيئة والعمليات. وعلى وجه التحديد، فإن جهد الإزاحة المنخفض الخاص به يعزز حساسية وموثوقية أنظمة الكشف. على سبيل المثال، في تطبيق الاستشعار الحالي حيث يتم تضخيم إشارة المستشعر بعامل 1000، يضمن جهد الإزاحة LMR1002F-LB البالغ 9μV بقاء جهد الخطأ في حده الأدنى، مما يحافظ على دقة إشارة الخرج.

في تطبيقات التحكم في درجة الحرارة، يمكن لـ LMR1002F-LB الخاص بـ ROHM تضخيم الإشارات بدقة من مستشعرات RTD المستخدمة في العمليات الصناعية مثل التفاعلات الكيميائية والتصنيع ومعالجة الأغذية. في أجهزة قياس تدفق خطوط الأنابيب لصناعات مثل البتروكيماويات أو تصنيع الأدوية، يمكن لأجهزة LMR1002F-LB مراقبة تدفق السوائل، وهو أمر ضروري للحفاظ على جودة المنتج وكفاءة العملية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام Op-Amp الخاص بـ ROHM في أنظمة الكشف عن الغاز ومراقبته لاكتشاف وقياس التركيزات المنخفضة للغازات، مثل ثاني أكسيد الكربون أو الغازات السامة الأخرى في المنشآت الصناعية.

التدوينة الجديدة Zero-Drift Op-Amp تحقق دقة عالية بغض النظر عن التغيرات في درجات الحرارة ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *