چرا ما نیاز به یک نوع جدید از تقویت کننده عملیاتی، حتی اگر ما در حال حاضر بسیاری از محصولات برجسته

با توجه به تولید کنندگان متعدد و هزاران محصول، محاسبه دقیق مقدار مشخص دشوار است. این شامل انواع مشتق شده از مدل پایه نمی شود که فقط در پارامترهای الکتریکی، درجه بندی دما یا شکل بسته بندی تفاوت اندکی دارند.

این اجزای آنالوگ اولیه، ساده و همه کاره نقش کلیدی در شبیه‌سازی پردازش سیگنال (AFE)، فیلترها و رابط‌های حسگر دارند. مدارها در حال حاضر عملکردهای زیادی برای پیاده سازی دارند، اما ظهور هوش مصنوعی لبه (AI)، کنترل کننده های هوشمند، و تعداد بیشماری از برنامه های کاربردی دیگر که نیاز به تعامل با دنیای واقعی دارند، فهرست الزامات عملکردی را بیشتر طولانی می کند.

با توجه به طیف کامل آمپلی فایرهای عملیاتی موجود در بازار، از سطح متوسط ​​تا دقت بالا، به راحتی می توان فرض کرد که دیگر به محصولات جدید نیازی نیست. با این حال، انتشار اخیر محصولات جدید دوباره نشان داد که این فرض چقدر ساده لوحانه است.

آخرین نوآوری های تقویت کننده عملیاتی برای دریفت بسیار کم
در طول سال گذشته، تامین کنندگان اصلی و میانی ده ها تقویت کننده عملیاتی جدید را راه اندازی کرده اند. برخی از این ها محصولات بسیار تخصصی هستند، مانند تقویت کننده های عملیاتی ولتاژ بالا یا تقویت کننده های عملیاتی ایزوله الکتریکی، اما بیشتر آنها هنوز هم معماری های رایجی هستند که فقط در برخی مشخصات به طور قابل توجهی بهینه شده اند.

سه تقویت‌کننده عملیاتی زیر که اخیراً منتشر شده‌اند، دارای ویژگی‌های رانش بسیار کم هستند:

دستگاه‌های آنالوگ MAX74810ARMZ-RL: تقویت‌کننده عملیاتی پایدار، کم مصرف، دو کاناله، دریفت صفر با نویز کم، ورودی القایی زمین و خروجی ریل به ریل برای حفظ دقت کلی بالا در طول زمان، تغییرات دما و ولتاژ.
STMicroelectronics TSZ901IYLT: تقویت کننده عملیاتی دارای گواهی AEC-Q100، متعلق به سری TSZ این شرکت، با دریفت نزدیک به صفر و ولتاژ افست فوق العاده کم، که هر دو ویژگی های کلیدی برای تهویه سیگنال سنسورهای با کارایی بالا هستند.
TLV488PWR تگزاس اینسترومنتز: تقویت‌کننده عملیاتی CMOS دقیق 36 ولت، 14 مگاهرتز، دریفت صفر، 4 کانال
دوراهی های رایج بین تامین کنندگان و طراحان
برای این نوع دستگاه بسیار محبوب، هم تامین کننده و هم کاربر نگرش پیچیده و متناقضی نسبت به تقویت کننده عملیاتی سنتی دارند. تامین کنندگان می خواهند به تولید این دستگاه های قدیمی ادامه دهند زیرا آنها سودآور هستند و فرآیندهای ساخت و آزمایش آنها قابل پیش بینی است. کاربران به آنها نیاز دارند زیرا عملکرد و تفاوت های ظریف آنها را درک می کنند. در عین حال، هر دو طرف امیدوارند که به مزایای بالقوه محصولات جدید دست یابند: الزام آور بازار طولانی مدت برای تامین کنندگان و عملکرد بهتر سیستم برای کاربران.

اگرچه تقویت‌کننده‌های عملیاتی، ماژول‌های ساده‌ای هستند، اما حاوی تعداد زیادی پارامترهای عملکرد مهم و اغلب بسیار ظریف هستند. اگرچه تست های مورد نیاز و تجزیه و تحلیل داده های بعدی بسیار خودکار هستند، زمان و تلاش مورد نیاز برای شروع، تکمیل و مستندسازی این تلاش ها هنوز قابل توجه است.

یکی از پارامترهای کلیدی و دشوار برای آزمایش کامل، ویژگی های تغییر جریان بایاس ورودی (IB) با دما است، همانطور که در MAX74810ARMZ-RL (شکل 1) نشان داده شده است.

شکل 1: منحنی IB MAX74810ARMZ RL با دما. این منحنی ها برای طراحان دقیق AFE بسیار مهم هستند. منبع تصویر: دستگاه های آنالوگ)

مشخصات تقویت کننده عملیاتی معمولاً آمار توزیع ولتاژ کج ورودی (VIO) را برای هزاران دستگاه تحت آزمایش ارائه می دهد. این نمودارها (به عنوان مثال شکل 2 برای TSZ901IYLT) به کاربر اطمینان می دهد که فرآیند تولید تامین کننده پایدار و قابل مدیریت است و در نتیجه قابلیت اطمینان شبیه سازی و اطمینان طراحی را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد.

شکل 2: نمودار توزیع VIO TSZ901IYLT به طراحان این باور را می دهد که فرآیند تولید به شدت کنترل می شود. منبع تصویر: STMicroelectronics)

تامین کننده همچنین باید حداکثر (یا حداقل) مقادیر را برای برخی پارامترها نشان دهد زیرا مقادیر معمولی فقط برای تخمین اولیه هستند و الزامات تجزیه و تحلیل سیستم کامل توسط ابزارهایی مانند Spice را برآورده نمی کنند. جداول پارامتر تقویت کننده عملیاتی، مانند شکل 3 برای TLV488PWR، مقادیر معمولی و حداکثر را در محدوده دمای کامل ارائه می دهد تا از ارزیابی های مهندسی دقیق پشتیبانی کند. این پارامترها معمولاً به صورت جدولی ارائه می شوند، از جمله مقادیر معمولی پارامترهایی مانند ولتاژ افست و جریان بایاس ورودی.

شکل 3: مقادیر معمولی و حداکثر برای ارزیابی طراحی دقیق دستگاه هایی مانند TLV488PWR مورد نیاز است. تامین کننده تقویت کننده عملیاتی در صورت نیاز به شکل جدولی ارائه خواهد کرد. منبع تصویر: Texas Instruments)

مزایای عرضه یک عرضه کننده محصول جدید چیست؟
آیا چنین سرمایه گذاری و هزینه هنگفت تحقیق و توسعه برای تامین کنندگان ارزش دارد؟ به طور کلی، پاسخ مثبت است. یک شبیه ساز موفق اغلب قادر است به طور مداوم درآمدهای پایدار و سودآور را در طول سالیان متمادی ایجاد کند. اگر تأمین‌کننده بتواند به ترکیب دقیقی از عملکردها، ویژگی‌ها و مشخصات عملکرد دست یابد و با محصول موفق مشتری مطابقت داشته باشد، تقویت‌کننده عملیاتی احتمالاً در طراحی‌های نسل فعلی و بعدی استفاده خواهد شد. در نهایت یک جایگزین برای مدل ترجیحی سنتی به دست می آید.

جایگزین کردن یک دستگاه بالغ آسان نیست. برخلاف پردازنده‌ها، یک تقویت‌کننده عملیاتی قابل اعتماد، پس از استفاده، معمولاً برای مدت طولانی استفاده می‌شود تا اینکه به راحتی جایگزین شود. پس چرا طراحان حاضر نیستند تقویت کننده های قدیمی و نسبتا ضعیف عملیاتی را با مدل های جدید جایگزین کنند؟

دلیل آن این است که دستگاه‌های آنالوگ نسبت به دستگاه‌های دیجیتال در معرض ویژگی‌های ظریف و تفاوت‌های فردی در طراحی، چیدمان و فرآیندهای تولید هستند. طراحان باتجربه مدارهای آنالوگ حاضر نیستند به راحتی دستگاه های جدید را جایگزین کنند و هزینه های یادگیری و تأیید را تحمل کنند مگر اینکه دلایل کافی وجود داشته باشد. طراحانی که تمایل به دیجیتال دارند، تمایلی به ورود به جزئیات شبیه سازی ندارند. ایده کلی آنها این است: "تا زمانی که کافی است، آن را بدون تغییر نگه دارید و با پروژه به جلو بروید."

برای تامین کنندگان و طراحان، مزایای بلند مدت دیگری برای محصول جدید وجود دارد:

فرآیندهای تولید و آزمایش بالغ به طور قابل توجهی خطرات تولید و عرضه را کاهش می دهد.
بهبود فناوری ساخت و بازدهی بالاتر می تواند منجر به حاشیه های بالاتر برای تامین کنندگان شود.
قطعات در بسیاری از فروشندگان و لیست اجزای مورد تایید طراحان OEM فهرست شده اند، بنابراین شرکت هیچ نگرانی در هنگام اضافه کردن آنها به صورتحساب مواد (BOM) محصول ندارد.
یک نمونه معمولی از این مفهوم طراحی "جایگزین آسان"، تقویت کننده های ابزار Burr Brown INA133، یک توپولوژی تقویت کننده عملیاتی ویژه است. این دستگاه در حدود سال 1998 معرفی شد و هنوز هم بسته ها و درجه های مختلفی را ارائه می دهد، مانند INA133UA/2K5 شرکت تگزاس اینسترومنت (که زمانی که Burr-Brown در سال 2000 خریداری شد) خریداری شد.

البته در مواجهه با تعداد زیادی از محصولات تقویت کننده عملیاتی جدید و قدیمی، نحوه انتخاب مناسب ترین مدل برای کاربردهای خاص به یک چالش بزرگ تبدیل شده است. برخی از طراحان با تعداد کمی از تامین کنندگان قابل اعتماد شروع می کنند، در حالی که برخی دیگر به تجربه صنعت متکی هستند. هوش مصنوعی ممکن است بتواند در اینجا با وارد کردن حداقل/حداکثر مقادیر پارامترهای مورد نیاز، پارامترهای مورد انتظار و سایر پارامترها کمک کند، که فهرستی از تقویت‌کننده‌های عملیاتی مناسب مرتب‌سازی شده بر اساس اولویت را برمی‌گرداند.

این نقطه ورود خوبی است، اما هیچ راهی بهتر از جستجوی اسناد و برقراری ارتباط یک به یک با مخاطبین فروشنده برای محدود کردن انتخاب و درک واقعی تفاوت‌های ظریف این دستگاه‌ها وجود ندارد.