A Thermally Stable, Low-Noise, Dual-Channel, Chopper- Stabilized Current-Feedback Instrumentation Amplifier for MEMS Flow-Meter Sensors
यह शोध पत्र 0.18 µm CMOS में डिज़ाइन किए गए एक तापीय रूप से स्थिर, कम-शोर वाले, ड्यूल-चैनल चॉपर-स्टेबलाइज्ड करंट-फीडबैक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर को प्रस्तुत करता है जो MEMS फ्लो-मीटर सेंसरों के लिए है, जो रिपल रिडक्शन और सबथ्रेशोल्ड ऑपरेशन जैसी उन्नत तकनीकों के माध्यम से उच्च गेन, उत्कृष्ट शोर और ऑफसेट प्रदर्शन, और तापमान एवं प्रोसेस वेरिएशंस के विरुद्ध मजबूत स्थिरता प्राप्त करता है।
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माइक्रो-सेंसरों की शांत दुनिया में, नन्हे उपकरण हवा और गैस के अदृश्य प्रवाह को उल्लेखनीय सटीकता के साथ मापते हैं। ये सेंसर, जो अक्सर चिकित्सा उपकरणों या औद्योगिक मॉनीटरों में पाए जाते हैं, एक सरल सिद्धांत पर निर्भर करते हैं: जब गैस तार के ऊपर से गुजरती है, तो एक गर्म तार ठंडा हो जाता है, और उस ठंडक की दर प्रवाह की गति को प्रकट करती है। हालांकि, इस सूक्ष्म भौतिक परिवर्तन को एक स्पष्ट विद्युत संकेत (इलेक्ट्रिकल सिग्नल) में बदलना एक नाजुक कार्य है। ये सेंसर बहुत कम वोल्टेज उत्पन्न करते हैं जो विद्युत स्थैतिक (इलेक्ट्रिकल स्टैटिक) द्वारा आसानी से दब सकते हैं और मापने की प्रक्रिया के दौरान ही विकृत हो सकते हैं। इसे हल करने के लिए, इंजीनियर विशेष एम्पलीफायरों का उपयोग करते हैं जो अत्यधिक संवेदनशील कानों की तरह कार्य करते हैं, जो पृष्ठभूमि के शोर को नजरअंदाज करते हुए सेंसर की हल्की सी फुसफुसाहट को सुनते हैं। चुनौती इन कानों को इस तरह बनाने की है कि तापमान में भारी बदलाव होने पर भी वे स्थिर और सटीक बने रहें, जो कि वास्तविक दुनिया की एक सामान्य स्थिति है जहाँ ये उपकरण काम करते हैं।
उर्मिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने विशेष रूप से इन कठिन परिस्थितियों को संभालने के लिए एक नए प्रकार का एम्पलीफायर डिजाइन किया है। उनकी रचना एक डुअल-चैनल डिवाइस है, जिसका अर्थ है कि यह सिग्नल को प्रोसेस करने के लिए दो समानांतर पथों का उपयोग करती है, जो उन त्रुटियों को रद्द करने में मदद करती है जो अन्यथा माप को खराब कर सकती हैं। उनके डिजाइन का मूल 'चॉपिंग' नामक एक तकनीक है, जो उपयोगी डेटा को अवांछित विद्युत गुनगुनाहट (हम) से अलग करने के लिए सिग्नल को तेजी से चालू और बंद करती है। हालांकि यह विधि शोर को हटाने में प्रभावी है, लेकिन यह अक्सर एक नई समस्या पैदा करती है: एक लयबद्ध लहर (रिपल) जो सिग्नल को विकृत कर देती है, ठीक वैसे ही जैसे किसी रिकॉर्डिंग में एक निरंतर गूंज होती है। शोधकर्ताओं ने इन लहरों को सक्रिय रूप से पहचानने और रद्द करने के लिए एक विशेष लूप जोड़कर इस समस्या को हल किया, बिना एम्पलीफायर की गति को धीमा किए। उन्होंने एक "फिल-इन" विधि भी पेश की, जो एक चतुर टाइमिंग ट्रिक है जो यह सुनिश्चित करती है कि स्विचिंग होने पर सिग्नल अचानक उछाल या गड़बड़ी के बिना सुचारू रूप से बहता रहे।
परिणामस्वरूप, एक चिप तैयार हुई है जो मानक विनिर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाई गई है और बहुत कम बिजली की खपत करती है, जो 1.8-वोल्ट की आपूर्ति से केवल 97 माइक्रोएम्पीयर लेती है। अपने सिमुलेशन में, डिवाइस ने आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) की एक विस्तृत श्रृंखला में उल्लेखनीय रूप से सपाट प्रतिक्रिया बनाए रखते हुए 46.1 डेसिबल के गेन के साथ कमजोर संकेतों को प्रवर्धित करने की क्षमता प्रदर्शित की। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने फ्रीजिंग (जमने वाली ठंड) से लेकर 100 डिग्री सेल्सियस की भीषण गर्मी तक के तापमान के तहत एम्पलीफायर का परीक्षण किया। डिवाइस ने अपना स्थान मजबूती से बनाए रखा, और गर्मी के बावजूद इसके प्रवर्धन बल (एम्प्लीफिकेशन स्ट्रेंथ) में कोई परिवर्तन नहीं देखा गया। यह थर्मल स्थिरता अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसका अर्थ है कि उपकरण के रीडिंग विश्वसनीय रहेंगे चाहे डिवाइस किसी ठंडे गोदाम में हो या गर्म इंजन बे में। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि एम्पलीफायर अविश्वसनीय रूप से शांत है, जिसमें इनपुट शोर का स्तर केवल 29.3 नैनोवोल्ट प्रति वर्ग रूट हर्ट्ज़ है, जो इसे प्रवाह में उन सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने की अनुमति देता है जिन्हें अन्य उपकरण शायद छोड़ दें।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि डिजाइन वास्तविक दुनिया में काम करेगा, टीम ने विनिर्माण के दौरान होने वाले सूक्ष्म बदलावों को ध्यान में रखते हुए हजारों कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। इन परीक्षणों ने पुष्टि की कि एम्पलीफायर का प्रदर्शन तब भी सुसंगत रहता है जब इसके भीतर के सूक्ष्म घटक एक-दूसरे से थोड़े भिन्न होते हैं। डिवाइस ने पावर सप्लाई और कॉमन-मोड सिग्नल्स से होने वाले अवांछित विद्युत हस्तक्षेप को 150 डेसिबल से अधिक की सटीकता के साथ खारिज कर दिया। इन सभी विशेषताओं को एक एकल, कम-शक्ति वाले पैकेज में मिलाकर, शोधकर्ताओं ने फ्लो मीटर से डेटा पढ़ने के लिए एक मजबूत उपकरण बनाया है। हालांकि यह कार्य अभी सिमुलेशन चरण में है और इसे अभी तक एक भौतिक चिप में नहीं बदला गया है, लेकिन परिणाम उन कठोर, परिवर्तनशील वातावरणों में सटीक रूप से काम करने वाले सेंसर बनाने के लिए एक विश्वसनीय मार्ग का सुझाव देते हैं जहाँ उनकी सबसे अधिक आवश्यकता होती है।
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