A Thermally Stable, Low-Noise, Dual-Channel, Chopper- Stabilized Current-Feedback Instrumentation Amplifier for MEMS Flow-Meter Sensors
تقدم هذه الورقة مضخم قياس ذو تغذية راجعة للتيار، ثنائي القنوات، ومستقر بالتقطيع (chopper-stabilized)، يتميز باستقرار حراري وضجيج منخفض، مصمم بتقنية 0.18 µm CMOS لمستشعرات قياس التدفق من نوع MEMS، والذي يحقق كسبًا عاليًا، وأداءً ممتازًا في الضجيج والإزاحة، واستقرارًا قويًا عبر تغيرات درجة الحرارة والعملية من خلال تقنيات متقدمة مثل تقليل التموج والتشغيل في منطقة تحت العتبة (subthreshold operation).
المؤلفون الأصليون:Hadi Nabizadeh, Amir Fathi, Behbood Mashoufi, Mir Majid Ghasemi
في عالم المستشعرات الدقيقة الهادئ، تقيس أجهزة متناهية الصغر تدفق الهواء والغاز غير المرئي بدقة ملحوظة. تعتمد هذه المستشعرات، التي توجد غالباً في المعدات الطبية أو أجهزة المراقبة الصناعية، على مبدأ بسيط: سلك ساخن يبرد عند مرور الغاز فوقه، ومعدل هذا التبريد يكشف عن سرعة التدفق. ومع ذلك، فإن تحويل هذا التغير الفيزيائي الطفيف إلى إشارة كهربائية واضحة هو مهمة دقيقة؛ إذ تنتج هذه المستشعرات جهوداً كهربائية ضئيلة من السهل أن يطغى عليها الضجيج الكهربائي وتشوّهها عملية القياس نفسها. ولحل هذه المشكلة، يستخدم المهندسون مضخمات خاصة تعمل مثل "آذان حساسة للغاية"، تستمع لـ "همس" المستشعر الخافت بينما تتجاهل "زئير" الضوضاء الخلفية. ويكمن التحدي في بناء هذه الآذان بحيث تظل ثابتة ودقيقة حتى عندما تتغير درجات الحرارة بشكل حاد، وهو ظرف شائع في العالم الحقيقي حيث تعمل هذه الأجهزة.
صمم فريق من الباحثين في جامعة أورميا نوعاً جديداً من المضخمات مخصصاً للتعامل مع هذه الظروف الصعبة. ابتكارهم عبارة عن جهاز ثنائي القنوات، مما يعني أنه يستخدم مسارين متوازيين لمعالجة الإشارة، وهذا يساعد في إلغاء الأخطاء التي قد تفسد القياس لولا ذلك. جوهر تصميمهم هو تقنية تسمى "التقطيع" (chopping)، والتي تقوم بتبديل الإشارة بسرعة بين التشغيل والإيقاف لفصل البيانات المفيدة عن الطنين الكهربائي غير المرغوب فيه. وبينما تعد هذه الطريقة فعالة في إزالة الضوضاء، إلا أنها غالباً ما تسبب مشكلة جديدة: "تموجاً إيقاعياً" يشوه الإشارة، تماماً مثل "طنين مستمر" في تسجيل صوتي. وقد حل الباحثون هذه المشكلة بإضافة حلقة خاصة تكتشف هذه التموجات وتلغيها بنشاط دون إبطاء سرعة المضخم. كما استحدثوا طريقة "الملء" (fill-in)، وهي خدعة توقيت ذكية تضمن تدفق الإشارة بسلاسة دون القفزات المفاجئة أو الأعطال التي تحدث عادةً عند عملية التبديل.
والنتيجة هي شريحة صُنعت باستخدام عمليات تصنيع قياسية تستهلك طاقة قليلة جداً، حيث تسحب 97 ميكرو أمبير فقط من مصدر جهد قدره 1.8 فولت. وفي عمليات المحاكاة، أظهر الجهاز قدرة على تضخيم الإشارات الضعيفة بكسب قدره 46.1 ديسيبل مع الحفاظ على استجابة مسطحة بشكل ملحوظ عبر نطاق واسع من الترددات. ولعل الأهم من ذلك هو أن الباحثين اختبروا المضخم تحت درجات حرارة تتراوح من التجمد إلى 100 درجة مئوية حارقة؛ حيث حافظ الجهاز على ثباته تماماً، ولم يظهر أي تغيير في قوة التضخيم بغض النظر عن الحرارة. هذا الاستقرار الحراري أمر بالغ الأهمية، لأنه يعني أن قراءات المستشعر ستظل موثوقة سواء كان الجهاز في مستودع بارد أو في حجرة محرك ساخنة. كما كشفت عمليات المحاكاة أن المضخم هادئ للغاية، بمستوى ضوضاء دخل يبلغ 29.3 نانو فولت لكل جذر تربيعي من الهرتز فقط، مما يسمح له باكتشاف التغيرات الدقيقة في التدفق التي قد تفوتها الأجهزة الأخرى.
ولضمان عمل التصميم في العالم الحقيقي، أجرى الفريق آلاف عمليات المحاكاة الحاسوبية لمراعاة الاختلافات الطفيفة التي تحدث أثناء التصنيع. أكدت هذه الاختبارات أن أداء المضخم يظل ثابتاً حتى عندما تختلف المكونات المجهرية بداخله قليلاً عن بعضها البعض. نجح الجهاز في رفض التداخل الكهربائي غير المرغوب فيه من مصادر الطاقة وإشارات الوضع المشترك بدقة تتجاوز 150 ديسيبل. ومن خلال دمج هذه الميزات في حزمة واحدة منخفضة الطاقة، نجح الباحثون في إنشاء أداة قوية لقراءة البيانات من مقاييس التدفق. ورغم أن العمل لا يزال في مرحلة المحاكاة ولم يتم بناؤه بعد في شريحة فيزيائية، إلا أن النتائج تشير إلى مسار موثوق نحو إنشاء مستشعرات يمكنها العمل بدقة في البيئات القاسية والمتغيرة حيث تشتد الحاجة إليها.
بيان المشكلة تتناول الورقة التحديات الحرجة في تصميم دوائر القراءة لمستشعرات التدفق الحراري ذات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، وتحديداً الأنواع الكالوريمترية (Calorimetric) المستخدمة في تطبيقات تتراوح من الأجهزة الطبية إلى التحكم في التدفق الصناعي. تعاني مضخمات الأدوات (IAs) التقليدية المصنوعة بتقنية CMOS من أخطاء كبيرة في الترددات المنخفضة، بما في ذلك جهود الإزاحة (Offset Voltages) الكبيرة عند المدخل (عدة ميلي فولت)، وانزياح الإزاحة (بالميكرو فولت/درجة مئوية)، وضجيج الوميض (1/f) بالقرب من التيار المستمر (DC). وبينما توجد تقنيات لإلغاء الإزاحة الديناميكي مثل التصفير الذاتي (Auto-zeroing) والتقطيع (Chopping)، فإن مضخمات CFIA السابقة التي تعمل بتقنية التقطيع تواجه قيوداً محددة عند تطبيقها على قراءات مستشعرات تدفق MEMS:
محدودية عرض النطاق الترددي (Bandwidth): الاعتماد على المرشحات منخفضة التردد (Low-pass filters) لإزالة التموج (Ripple) الناتج عن رفع التردد يحد من عرض النطاق الترددي للمضخم.
تدهور الدقة: تؤدي عمليات حقن الشحنة وعدم التطابق في حلقات تقليل التموج إلى ترك إزاحات متبقية وومضات (Glitches)، مما يقلل من دقة التيار المستمر (DC).
عدم دقة الكسب (Gain): الكسب الذي يتم تحديده عبر نسب الموصلات (Transconductors) يفتقر إلى الدقة دون الحاجة إلى معايرة.
قيود القدرة والجهد: تستهلك العديد من التصميمات الحالية طاقة مفرطة (>100 ميكرو أمبير) وتتطلب جهود إمداد عالية (≥3.3 فولت).
عدم الاستقرار الحراري: نادراً ما يتم توصيف الاستقرار الحراري للمضخمات الموجودة، رغم أن مستشعرات MEMS غالباً ما تعمل في بيئات تشهد تغيرات واسعة في درجات الحرارة.
المنهجية يقترح المؤلفون تصميم CFIA ثنائي القناة، مستقر بالتقطيع، مصمم بتقنية 0.18 µm CMOS مع جهد إمداد 1.8 فولت. يدمج التصميم عدة تقنيات محددة لمعالجة المشكلات المذكورة أعلاه:
بنية ثنائية القناة مع تقنية "الملء" (Fill-In Technique): للتخفيف من الومضات الناتجة عن عرض النطاق الترددي المحدود لمرحلة الموصلية (Transconductance stage - Gm) وحواف نبضات الساعة، يستخدم التصميم قناتين متوازيتين مع نبضات ساعة مقطعة بإزاحة طور قدرها 180 درجة. تسمح تقنية "الملء" لكل قناة بتمرير إشارتها إلى المخرج خلال الوقت الذي تشهد فيه القناة الأخرى ومضة، مما يقضي فعلياً على تشوه التعديل البيني (IMD) والومضات في المخرج دون الحاجة إلى مرشح منخفض التردد قد يحد من عرض النطاق الترددي.
حلقة تقليل التموج النشطة (RRL): بدلاً من المرشح السلبي منخفض التردد، تم تنفيذ حلقة RRL نشطة لكل قناة. تكتشف هذه الحلقة التموج المتكامل الناتج عن إزاحة المدخل، وتقوم بفك التعديل عنه، ثم تحقن تياراً تعويضياً في مرحلة المدخل لإلغاء الإزاحة، مما يؤدي إلى كبح التموج دون التضحية بعرض النطاق الترددي.
طوبولوجيا الدائرة: يستخدم المضخم مرحلة مدخل من نوع (Folded Cascode) لتحقيق كسب عالٍ، ومرحلة مخرج من نوع (Monticelli Class AB) لتوفير دفع تيار عالٍ ومجال مخرج قدره 1 فولت. تعمل الترانزستورات في منطقة تحت العتبة (Subthreshold region) لتقليل استهلاك الطاقة.
تخفيف الضجيج والإزاحة: يتم تقليل ضجيج الوميض (1/f) عن طريق زيادة طول القناة للترانزستورات المدخلة. تم ضبط تردد التقطيع عند 50 كيلو هرتز، وهي قيمة تم اختيارها لتكون أعلى بكثير من زاوية ضجيج 1/f (لضمان رفع التردد للضجيج) ولكن أقل من عرض النطاق الترددي الموحد (757 كيلو هرتز) للحفاظ على استقرار الحلقة وتقليل القدرة الديناميكية.
التوصيف الحراري: يستهدف التصميم صراحةً الاستقرار الحراري، حيث أُجريت المحاكاة عبر نطاق درجة حرارة من 0 إلى 100 درجة مئوية للتحقق من ثبات الكسب.
المساهمات الرئيسية تدعي الورقة أنها تقدم أول CFIA يجمع في آن واحد بين الميزات التالية:
تقنية الملء ثنائية القناة: للتشغيل الخالي من الومضات دون قيود على عرض النمان الترددي.
حلقة تقليل التموج النشطة: لإزالة التموج دون عقوبة عرض النطاق الترددي التي تفرضها المرشحات منخفضة التردد.
الاستقرار الحراري الصريح: توصيف استقرار الكسب مغلق الحلقة من 0 إلى 100 درجة مئوية.
التشغيل بجهد منخفض وطاقة منخفضة: مصمم لجهد 1.8 فولت مع استهلاك إجمالي للتيار يبلغ 97 ميكرو أمبير.
النتائج أظهرت نتائج المحاكاة في تقنية 0.18 µm CMOS مقاييس الأداء التالية:
الكسب وعرض النطاق الترددي: يحقق المضخم كسباً مفتوح الحلقة قدره 122.3 ديسيبل عند 10 ميلي هرتز، وعرض نطاق ترددي موحد قدره 757 كيلو هرتز. الكسب مغلق الحلقة مستقر عند 46.1 ديسيبل (يدعم كسب 100، 200، 400، و800).
الضجيج والقدرة: الضجيج المرجعي للمدخل هو 29.3 نانو فولت/√هرتز (أرضية الضجيج الحراري)، واستهلاك القدرة الإجمالي هو 9 de 97 ميكرو أمبير. تم حساب عامل كفاءة الضجيج (NEF) عند 10.4.
نسب الرفض: يحقق التصميم نسبة رفض النمط المشترك (CMRR) تبلغ 154.46 ديسيبل، ونسبة رفض مصدر الطاقة (PSRR) تبلغ 102.2 ديسيبل عند 10 هرتز.
الاستقرار الحراري: يظل الكسب مغلق الحلقة ثابتاً عند 46.1 ديسيبل عبر نطاق التردد الكامل لدرجات حرارة من 0 إلى 100 درجة مئوية، دون ملاحظة أي تغير في الكسب أو ذروة (Peaking).
الإزاحة والمتانة: أظهر تحليل مونت كارلو (500 دورة) إزاحة مرجعية للمدخل قدرها -26.097 ميكرو فولت مع انحراف معياري قدره 25.107 ميكرو فولت. الإزاحة (3-σ) البالغة (±75.3 ميكرو فولت) تقع تماماً ضمن متطلبات محول تناظري رقمي (ADC) بدقة 10 بت. كما يؤكد تحليل الزوايا (PVT) أن تغير الكسب أقل من -0.5 ديسيبل وأن الإزاحة تظل تحت 31 ميكرو فولت في الظروف القصوى.
التحقق بعد التخطيط (Post-Layout): تُظهر محاكاة ما بعد التخطيط تدهوراً طفيفاً مقارنة بنتائج ما قبل التخطيط، حيث انخفض هامش الطور من 63 درجة إلى 59 درجة وانخفض الكسب المستمر (DC gain) بمقدار 2.7 ديسيبل، مما يؤكد متانة التصميم ضد العناصر الطفيلية.
الأهمية والادعاءات يؤكد المؤلفون أن هذا العمل يوفر حلاً قوياً للواجهة الأمامية التناظرية (Analog Front-End) المصممة خصيصاً لدوائر قراءة مستشعرات تدفق MEMS حيث يكون الاستقرار الحراري ودقة التيار المستمر (DC) أمراً بالغ الأهمية. ومن خلال الجمع بين تقنية الملء وحلقة RRL النشطة، يتغلب التصميم على المقايضة التقليدية بين كبح التموج وعرض النطاق الترددي. توضح الورقة أنه بينما يعد NEF (10.4) أعلى من بعض التصميمات الحديثة المحسنة حصرياً لكفاءة الضجيج، إلا أن هذا مقايضة متعمدة لتحقيق استقرار حراري فائق (0–100 درجة مئوية)، وCMRR عالٍ، وتشغيل بجهد منخفض (1.8 فولت).
تخلص الورقة إلى أن الـ CFIA المقترح مناسب للتطبيقات الصناعية حيث تتغير درجات الحرارة المحيطة بشكل كبير ويكون التعويض الحراري الخارجي غير مرغوب فيه. وتشير الورقة إلى أن أداء الضجيج (دقة تدفق 9.3 ميكرومتر/ثانية) كافٍ لقياسات التدفق الدقيقة، رغم أن المستشعر نفسه سيكون هو العامل المحدد غالباً. ويقر المؤلفون بأن الدراسة تعتمد كلياً على المحاكاة، وأن التحقق التجريبي باستخدام شريحة مصنعة ضروري لتأكيد الأداء المتوقع في الظروف الواقعية.