כיצד ממלא מגבר ה-op amp הצנוע תפקיד מהותי כל כך באלקטרוניקה רפואית

וינאיה סקאנדה מחברת Microchip Technology מראה את החשיבות של מגבר ה-op amp ביישומים מסוימים, כמו מדידת המדדים החיוניים בגוף האדם.

היכרות עם מאפייני המגבר התפעולי  היא ממש קריטית כאשר בוחרים בו ליישומים מסוימים, והדבר מחייב גם היכרות עם דרישות היישום. ביישומים שגרתיים מסוימים ניתן להשתמש בעזרת כללי הגיון פופולריים, אך כאשר דרישות השימוש והביצועים גבוהות וקפדניות, יש צורך בהבנה עמוקה יותר של תכונות היישום. כאן, המתכננן יצטרך לבחון כמה מהפרמטרים והמאפיינים הלא-אידאליים של ה-op amp.

בין היישומים הרלוונטיים ניתן למנות ממירי מתח דיגיטליים, מערכות בקרה ואלקטרוניקה רפואית, בהם ניתן להשתמש למילוי תפקידי מפתח בהתקנים למדידת הפרמטרים החיוניים של גוף האדם.

איור 1. גודל ודיאגרמת פאזות של בודה של op amp

יציבות

כדי שמערכת op amp תהייה יציבה, תגובת הלולאה הסגורה צריכה להידמות לתגובה חד-קוטבית. אם יש אינטרקציה בין ההגברה של הלולאה הסגורה להגברה של הלולאה הפתוחה בקצב של 20 דציבל לפקטור 10, המערכת תהיה יציבה. כאשר מגיעים לנקודה בה תגובת הלולאה הסגורה יורדת ב-40 דציבל לפקטור 10, ה-op amp יתנודד.

קוטב אחד מוסיף פאזה של 90o ולכן שני קטבים מוסיפים 180o פאזה. לאחר שנוספות 180o למסלול המשוב, מערכת המשוב השלילי הופכת את עצמה למערכת משוב חיובי ומתחילה לייצר תנודות.

כפי שמוצג בדיאגרמת הפאזות של בודה של op amp גנרי, המופיעה באיור 1, שולי הפאזה מצביעים על מעבר הפאזה בהגברת יחידה שנשארת להתקרב לנקודת ה-180o.

שולי הפאזה היא אחת מהיתרונות בניתוח היציבות של op amp. כפי שרואים באיור 1, שינוי הפאזה לא בהכרח קורה בתדירויות הפינה. במקום זה, הפאזה מתחילה להשתנות פקטור 10 אחורה מתדירות הפינה עצמה. שולי פאזה של כ-40o בתנאי פעולה סטנדרטיים הם ערכים אופייניים של op amp על שבב על גבי מיקרו-בקר.

מדידת מעגלים

התקני op amp הם רכיבי מפתח בתכנון של כל ספק מתח אנלוגי או בעל אות משולב. הם מוצאים שימוש נרחב גם בתחום מדידת אותות וגם ברשתות פיצוי.

שימוש נפוץ מאד של מגברי op amp הוא בממירי מתח דיגיטליים במדידת הזרם הזורם דרך המשרה. באופן דומה, בהקשר של בקרת מנוע ומדידת אנרגיה, המגבר משמש למדידת הזרם הזורם דרך הפאזות של מהפך הזרם. לעיתים קרובות, נגד חיישן זרם מחובר סדרתית על מסלול זרימת הזרם של הפאזה, כפי שמוצג באיור 2.

איור op amp .2 כמגבר להפרש ליישומים לחישת זרם

המתח צונח על פני הנגד לחישת זרם, ואז הוא מוגבר ומוחזר לממיר מאנלוגי לדיגיטלי של המיקרו-בקר. מאחר וערך נגד החישה הוא בדרך כלל נמוך מאד – מסדר גודל של כמה מילי-אוהם ועד כמה אוהם- יש צורך בהגברת המתח הנמדד. לפיכך משתמשים ב- op amp בתצורה של מגבר הפרשים, ולכן, ללא קשר לכיוון זרימת הזרם, הפרשי המתח מוגברים בצורה מדויקת.

מיקרו-בקר כמו בעל מגבר יחיד מסוג op amp על השבב, יוכל להתאים לסוג זה של יישומים. מאחר וה-op amp נמצא בתור הבקר, הוא מפחית את העלות הכוללת של התכנון וחוסך מקום על הלוח. החסינות בפני רעש תשתפר מכיוון שיהיו פחות עקבות על הלוח מאשר מה שהיה נחוץ לשימוש ב- op amp חיצוני.

מערכות בקרה

אם נוקטים בגישה של בקרה אנלוגית בתכנון ממיר מתח המבוסס על טופולוגיה של buck – boost כדי לווסת את המתח היוצא, מערכת הבקרה תהיה בהכרח זקוקה לקומפנסטור המשתמש ב-op amp. קומפנסטור בעל 3 קטבים משתמשים רק במתח היוצא לבקרה. דבר זה נקרא בקרת מצב מתח, ונהוג לקרוא להתקן הזה קומפנסטור מסוג III.

קומפנסטור כזה הוא וריאציה קטנה על המגבר ההופך אות, מבחינת השינויים ברשת המשוב. רשת המשוב מתוכננת במיוחד כדי לספק פונקציית העברה בעלת שלושה קטבים ושתי הארקות.

ניתן להשיג העברת הלולאה בנקודה כלשהי בין ההארקות  והקטבים אם לשני

האפסים אותה התדירות ולשני הקטבים אותה התדירות. ניתן להשיג שולי פאזה סבירים באמצעות קומפנסטורים מסוג זה מכיוון שאפשר להגיע לכמות גדולוה של בוסט בפאזה.

אלקטרוניקה רפואית

חיישנים ביו-אלקטרו-כימיים הם חיוניים ברוב הציוד הרפואי המשמש לניטור מדדים חיוניים של גוף האדם. לעתים קרובות, החיישנים הביולוגיים מעורבים בפעילות אלקטרו-כינית המתרחשת בתוך מיקרו-אורגניזמים או תרכובות כימיות. יש צורך לבדוק, למדוד ובמקרים מסוימים גם לבקר פעילויות אלה.

מעגל חשמלי משותף אחד בו משתמשים לעתים קרובות ביישומים מסוג זה הוא הפוטנציוסטאט או הגלוואנוסטאט. הדבר נחוץ לשם התפקוד הנאות של החיישן הביו-אלקטרו-כימי. ביישומים כמו חיישנים לזיהוי ריח וטעם, ייתכן שיהיה צורך במאגר של פוטנציוסטאטים.

במערך הפשוט של פוטנציוסטאטים המוצג באיור 3, משתמשים ב-2 amp ops. A PIC16F1793 או PIC16F1786 יכולים להתאים מכיוון שלהתקנים אלה יש שני op amps פנימיים.

איור Op amps .3 ביישום פוטנציוסטאטי

פוטנציוסטאט הוא תא בן 3 אלקטרודות המורכב מאלקטרודה עובדת, אלקטרודת ייחוס, ואלקטרודה עוזרת. האלקטרודה העוזרת מובילה את הזרם פנימה או החוצה מהתא, וזרם זה צריך לאזן את הזרם שנוצר באלקטרודת העבודה. אלקטרודת הייחוס מספקת ערך ייחוס לאלקטרודה העובדת למדידת הפוטנציאל של האלקטרוליט.

המגבר אחראי שהמתח בין אלקטרודת הייחוס והאלקטרודה העובדת יישמר קרוב ככל הניתן למתח VBIAS המחובר לאלקטרודת קצה שאינה הופכת את האות. היציאה שלה מבוקרת כדי לשמור על הזרם בתא במטרה להגיע לשיווי משקל.

הפוטנציוסטאט צריך למדוד את הזרם מהאלקטרודה העובדת ולייצר אות שימושי באלקטרודת הקצה שביציאה. זרם זה יכול להיות דו- קוטבי והוא נמדד ללא קשר לכיוון הזרם של האלקטרודה העובדת, בין אם פנימה או החוצה.

חיישנים בתדירות נמוכה

ניתן להשתמש במגברי op amp גם ליצירת מעגלי תדירות נמוכה עבור חיישנים המשתמשים בטכניקה שנקראת קורלציה, לזיהוי נוכחות אותות בתדר נמוך. האות אותו רוצים לבדוק או לקלוט מושווה לאות ייחוס בתדר נמוך, וערך ייחוס זה הוא האות שמיוצר במעגל של ה-op amp.

בין היישומים אופייניים ניתן למנות זיהוי דליפות בצנרת, זיהוי נקודות חמות וקרינה

ממכשירים חשמליים, זיהוי גלים סיסמיים, התראות בפני עשן ואש מכיוון שצלילים בתדירות נמוכה טובים יותר לאנשים בעלי שמיעה לקויה, וחיישני לחץ לזיהוי בעירה וטורבולנטיות של מנועים.

בסוג זה של יישומים, הביצועים של op amp עצמאי דומה מאד לביצועים של op amp פנימי במיקור – בקר PIC16F, והעובדה שהוא פנימי משמעותה שיש צורך בפחות רכיבים. ישנו גם שיפור בחסינות בפני רעש חיצוני מכיוון שאין צורך במסלולים לחיבור ה-op amp.

לסיכום

ה-op amp קיים ומשפיע בכל מקום, בכל רחבי עולם האלקטרוניקה. ביישומים מסוימים, הוא ממלא תפקיד משמעותי. יישומים אלה כוללים אלקטרוניקה רפואית, ספקי מתח ואפילו יישומים מסוימים של עיבוד ומדידת אותות.

וינאיה סקאנדה הוא ראש קבוצה בחברת Microchip Technology.

Vinaya Skanda, Microchip Technology

תגובות סגורות