Lựa chọn bộ khuếch đại phù hợp

Dù bạn đang làm việc với các giao diện cảm biến công suất thấp, thu thập dữ liệu tốc độ cao hay thiết bị đo lường chính xác, việc lựa chọn bộ khuếch đại phù hợp có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng duy trì tính toàn vẹn tín hiệu và hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Với sự đa dạng về loại và kiến trúc của các bộ khuếch đại, việc hiểu cách lựa chọn loại phù hợp cho ứng dụng của bạn là yếu tố quan trọng.

Thách thức: Cân bằng giữa tính linh hoạt và chi phí với các bộ khuếch đại đa năng.

Một thách thức thường gặp đối với các nhà thiết kế là tìm kiếm các thành phần có đủ độ linh hoạt và hiệu quả về chi phí cho nhiều tác vụ điều kiện tín hiệu khác nhau, đặc biệt khi độ chính xác cực cao không phải là yêu cầu chính. Điều này thường xảy ra trong các mạch điều kiện tín hiệu cơ bản, các hệ thống con trong ô tô và các thiết bị chạy bằng pin.

Mạch khuếch đại hoạt động đa năng (op-amps) được thiết kế đặc biệt để giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp hiệu suất đáng tin cậy với mức tiêu thụ điện năng thấp, khiến chúng trở thành lựa chọn tuyệt vời cho các dự án ưu tiên tính linh hoạt và hiệu quả về chi phí. Các ví dụ bao gồm các thiết bị như LM358 dựa trên PMOS, là các thiết bị bipolar đã được khẳng định giá trị bền vững trong ngành công nghiệp suốt nhiều thập kỷ. Một ví dụ về bộ khuếch đại đa năng CMOS là NCS20072, có sẵn trong nhiều loại vỏ bọc nhỏ gọn.

Thách thức: Vượt qua các thách thức về độ chính xác và ổn định với bộ khuếch đại không trôi (Zero-Drift Amplifiers)

Trong các ứng dụng mà ngay cả những sai số nhỏ nhất cũng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, các nhà thiết kế phải đối mặt với thách thức quan trọng là duy trì độ chính xác và ổn định cực cao trong phạm vi nhiệt độ rộng và thời gian hoạt động kéo dài. Điều này đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực như thiết bị y tế, thiết bị đo lường công nghiệp, ứng dụng IoT và hệ thống phản hồi điều khiển động cơ.

Để đáp ứng những yêu cầu khắt khe này, các dòng ampli chuyên dụng cung cấp các giải pháp:

Mạch khuếch đại không trôi

Một thách thức quan trọng là sự trôi dạt tự nhiên của điện áp offset do biến động nhiệt độ và quá trình lão hóa. Các kiến trúc không trôi dạt, như trong các thiết bị như NCS21911, được thiết kế để khắc phục sự trôi dạt này, duy trì độ chính xác và ổn định lâu dài bất kể biến động môi trường.

Các bộ khuếch đại này thường tích hợp các tính năng như khả năng đầu vào và đầu ra từ cực này sang cực kia (rail-to-rail) và dòng điện tĩnh thấp, giúp nâng cao cả độ chính xác và hiệu suất năng lượng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Hơn nữa, tỷ lệ loại bỏ chế độ chung (CMRR) xuất sắc là một đặc tính quan trọng, giúp loại bỏ hiệu quả nhiễu chế độ chung không mong muốn, điều này đặc biệt quan trọng khi kết nối với bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC) để thu thập dữ liệu chất lượng cao. Tỷ lệ CMRR điển hình của NCS21911 là 130dB tại 4V.

Thách thức: Giải quyết vấn đề giám sát dòng điện chính xác trong hệ thống điện động lực.

Theo dõi dòng điện chính xác đặt ra một loạt thách thức đặc thù trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm quản lý nguồn điện, hệ thống chạy bằng pin (như điện thoại thông minh, máy tính xách tay và xe điện) và chẩn đoán an toàn ô tô. Các nhà thiết kế cần các giải pháp có thể đo lường chính xác dòng điện trong phạm vi rộng của điện áp chế độ chung đồng thời giảm thiểu tiêu thụ điện năng và chi phí vật liệu (BOM).

Các bộ khuếch đại cảm biến dòng điện được phát triển đặc biệt để giải quyết những thách thức này:

Dải điện áp chế độ chung rộng

Một thách thức lớn là đo dòng điện trong các cấu hình cao áp, nơi điện trở phân nhánh không được nối đất. Điều này đòi hỏi các bộ khuếch đại có khả năng xử lý điện áp đầu vào chung lớn, thường lên đến 40V cho một số mô hình hoặc thậm chí 80V cho các mô hình khác như NCS7031 hoặc NCV7031 (Ô tô) và NCS7041 hoặc NCV7041 (Ô tô). Khả năng này là thiết yếu cho cả đo dòng điện ở phía cao và phía thấp, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế và cho phép phát hiện các sự cố ngắn mạch tải trong các ứng dụng phía cao.

Độ chính xác cao và độ lệch thấp

Độ chính xác trong đo lường dòng điện là yếu tố quan trọng hàng đầu. Các bộ khuếch đại này thường có điện áp lệch rất thấp (ví dụ: ±12 µV tối đa cho nền tảng Treo và kiến trúc không trôi) đảm bảo độ chính xác cao ngay cả khi có sự sụt áp nhỏ trên điện trở shunt. Lựa chọn thiết kế này giúp giảm thiểu tổn thất công suất từ điện trở shunt đồng thời duy trì tính toàn vẹn của đo lường.

Tích hợp và hiệu quả về chi phí

Nhu cầu liên tục về việc giảm diện tích bo mạch và chi phí BOM là vô cùng quan trọng. Một số giải pháp khuếch đại dòng điện hiện tại tích hợp các điện trở điều chỉnh hệ số khuếch đại, giúp đơn giản hóa thiết kế và giảm số lượng linh kiện ngoại vi. Ví dụ, các thiết bị như NCS214R và NCS(V)2167x cung cấp tính năng này. Ngoài ra, các thiết bị này có thể hỗ trợ cảm biến dòng điện một chiều hoặc hai chiều, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng như sạc pin, nơi dòng điện có thể đảo chiều.

Thách thức: Vượt qua các hạn chế của Thiết kế Phổ quát bằng các thuộc tính nâng cao của bộ khuếch đại.

Ngoài việc giải quyết các loại bộ khuếch đại cụ thể, một số thách thức chung thường gặp trong thiết kế điện tử, và các giải pháp bộ khuếch đại hiện đại cung cấp các đặc tính quan trọng để vượt qua chúng:

Độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt

Nhiều ứng dụng, đặc biệt trong ngành ô tô (Hệ thống Hỗ trợ Lái xe Nâng cao (ADAS), điều khiển động cơ và hệ thống quản lý pin), đòi hỏi các linh kiện có thể chịu được nhiệt độ cực cao (lên đến 150°C cho một số thiết bị sắp ra mắt trên nền tảng Treo) và điều kiện điện áp khắc nghiệt. Đạt được các tiêu chuẩn chất lượng ô tô như AEC-Q100 và khả năng PPAP là yếu tố quan trọng để đảm bảo rằng các linh kiện như NCV210R và NCV333 đáp ứng các yêu cầu độ tin cậy nghiêm ngặt này.

Hiệu quả năng lượng

Nhu cầu về thời lượng pin kéo dài và tiêu thụ điện năng thấp trong các thiết bị di động, IoT và hệ thống công nghiệp đòi hỏi các bộ khuếch đại có dòng điện tĩnh cực thấp, đôi khi chỉ vài chục microampe đối với bộ khuếch đại op-amp hoặc thậm chí vài nanoampe đối với bộ so sánh, như nền tảng Treo với 315 nA mỗi kênh. Mức tiêu thụ điện năng tối thiểu này được đạt được mà không làm giảm hiệu suất.

Tối ưu hóa không gian

Miniaturization là một yêu cầu không ngừng trong lĩnh vực điện tử hiện đại. Các giải pháp khuếch đại được đóng gói trong các gói nhỏ gọn như CSP (Chip Scale Packages) và uQFNS (micro Quad-Flat No-lead) cho nền tảng Treo giúp các nhà thiết kế giảm đáng kể diện tích bo mạch, điều này đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng như điện thoại thông minh và thiết bị điện tử đeo được.

Phản hồi nhanh và điều khiển

Trong các hệ thống động như điều khiển động cơ và điều chỉnh công suất, xử lý tín hiệu nhanh chóng là yếu tố quan trọng. Các bộ so sánh sắp ra mắt từ Treo Platform có độ trễ truyền tín hiệu nhanh 40 ns và phản ứng chuyển tiếp nhanh, cho phép điều khiển chính xác và kịp thời, điều này rất quan trọng đối với sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.

Phù hợp khả năng của bộ khuếch đại với yêu cầu của ứng dụng

Lựa chọn bộ khuếch đại phù hợp cho thiết kế điện tử tương tự như việc chọn công cụ phù hợp cho một nhiệm vụ cụ thể trong dự án xây dựng phức tạp. Giống như công cụ chuyên dụng giúp thợ thủ công thực hiện các thao tác tinh tế hoặc phức tạp với độ chính xác và hiệu quả cao, các kiến trúc bộ khuếch đại khác nhau được thiết kế với các khả năng riêng biệt để giải quyết các thách thức đặc thù trong mạch điện tử.

Dù là nhu cầu về tính linh hoạt cao, độ chính xác cao trong môi trường biến động, hay giám sát dòng điện chính xác trong hệ thống điện, việc hiểu rõ thách thức thiết kế cụ thể cho phép các kỹ sư tận dụng các tính năng chuyên biệt của các bộ khuếch đại hiện đại, chẳng hạn như những bộ được xây dựng trên nền tảng Treo tiên tiến, để hiện thực hóa các ý tưởng điện tử của họ.

Tìm hiểu thêm về các bộ khuếch đại của onsemi và liên hệ với bộ phận bán hàng để được hỗ trợ thêm.