מגבר עם הגבר ניתן לתכנות מותאם באופטימיזציה ליישומי בקרת מנועים בטכניקה של דגימה כפולה מתואמת

Yan Vainter , Freescale Israel

במאמר זה נתאר את תהליך התכנון של מגבר הפרשי מלא עם הגבר ניתן לתכנות (PGA) ועם קבלים ממותגים (SC) ל–12 סיביות, מותאם באופטימיזציה ביישומי הגברת מנועים, וממומש בטכניקה של דגימה כפולה ומתואמת (CDS). המגבר מבצע המרה של אות הפרשי לאות בקצה יחיד, ופועל בתיאום עם ממיר אנלוגי לספרתי (ADC). הוא מיוצר בתהליך CMOS סטנדרטי של 4 מתכות בעובי 0.25 מיקרו–מטר, ממלא שטח של 0.18 ממ”ר עם צריכה כוללת של 450 מיקרו–אמפר ופועל בטווח הטמפרטורות שבין –40 לבין +135 מעלות צלזיוס. המעגל משולב במשפחת בקרי האותות הספרתיים (DSC) – MC56F8006 – של Freescale, עם התקנים היקפיים נוספים שעל השבב אשר מתוכננים להרחיב את הביצועים של יישומי בקרת מנועים והמרת הספק.
הגידול המתמיד של דרישה ליישומים ולציוד תעשייתי ירוקים יותר, מניע את היצרנים לחפש דרכים לשיפור נצילות האנרגיה, תוך הפחתת עלויות המערכת. מנועים חשמליים אחראיים ל– 65% – 70% מצריכת האנרגיה החשמלית בתעשייה, ול– 57% בערך מצריכת האנרגיה החשמלית הכוללת בעולם כולו. ההתפתחויות באלגוריתמים של בקרת מנועים והחידושים ברכיבים אלקטרוניים כדאיים מבחינת עלותם, נוטים להאיץ את השימוש בבקרה אלקטרונית מתקדמת עבור דוחפי מנועים בבקרת תנועה, החל מיישומים במכשור ביתי ועד יישומים במכונות תעשייתיות ברצפת הייצור, מתוך מטרה להשיג נצילות אנרגיה גבוהה וביצועים טובים יותר עבור בקרה מדויקת של מומנט ומהירות. כתוצאה מכך, כמה מבין מערכות הבקרה המתקדמות מנצלות את בקרי האותות הספרתיים, כדי לשלב את הפונקציונליות של המיקרובקר ושל יכולת העיבוד של מעבדי אותות ספרתיים (DSP) עם קבוצה גמישה של התקנים היקפיים למען יצירת פתרון עבור בקרת מנוע, פתרון שיהיה משובץ, כדאי מבחינת העלות, רב–יכולת ורב–שימושי.
ביישום זה, בקרת DSC מנטרת את זרמי עומס המנוע לצורך עיבוד נתונים. עוצמות הזרם יכולות להשתנות בתלות ביישום. לכן, יש לכלול שיפור אותות בנתיב הרכשת האותות. מגבר ההגבר הניתן לתכנות – המוצג כאן – מבצע פונקציה כזו. מגבר PGA מורכב באמצעות מעגלים מוכרים שאורגנו על מנת להפיק ביצועים גבוהים מהמוצר המתוכנן למטרה של בקרת מנועים.

ארכיטקטורת המערכת
איור 1 מתאר את תרשים הבלוקים של מגבר עם הגבר ניתן לתכנות (PGA). בתכנון מגבר שמתאים ליישומי בקרת מנועים יש צורך במפרט המערכת הבא:
–טווח מתחי האספקה 1.8 – 3.6 וולט;
–טווח הטמפרטורות בתחום שבין –40 לבין +135 מעלות צלזיוס;
–ליניאריות גדולה יותר מ–10 סיביות (היעד: 12 סיביות);
–אפשרויות הגבר ניתנות לתכנות:  1x, 2x, 4x, 8x, 16x ו– 32x,
עם שגיאת הגבר מרבית של 2%;
–חלון מינימלי לדגימת פולסים: 1 מיקרו–שנייה;
–המרה של אות הפרשי לאות בקצה יחיד (DSE);  וכן
–מצבי כיול, היסט והגבר.
התיאור המתמטי של מתח המוצא במגבר PGA נתון במשוואה הבאה (1):

כאשר (VIP–VIN) הוא מתח הכניסה ההפרשי, VDDA הוא מתח האספקה האנלוגי ו– GAIN מגדיר את הגבר המתח האנלוגי. למגבר PGA יש גם יחידת ייחוס שמספקת את מתח ההארקה האנלוגי עבור המעגל, ייחוס הזרם עבור מגברי השרת ומשאבת מטען כדי להעביר את רמת מתח VDDA אל VDDA + 1V לפחות, לצורך בקרה של מתגים פנימיים. בנוסף, קיימת יחידת לוגיקת בקרה ספרתית שמסנכרנת את הממשק שבין מגבר PGA לבין ממיר ADC.
העמידה בטווחים של ספק הכוח ושל הטמפרטורה נעשית באמצעות תכנון מוקשח. עם זאת, לא ניתן להשיג בקלות ליניאריות של 12 סיביות כאשר צריכת ההספק והשטח מוגבלים על ידי מפרט התכנון. אחת הדרכים לעמוד בדרישות של מפרט נוקשה זה היא בדרך של אימוץ ארכיטקטורת מעגל עם קבל SC המבוססת על דגימת CDS.
טכניקת קבל SC תואמת לתהליך CMOS טהור, והיא מפצה באופן יעיל למדי על חוסר השלמות של מגבר שרת תמסורת (OTA) (למשל על מתח היסט
בכניסה, הגבר סופי בחוג פתוח, הגבלות של קצב עלייה – slew rate – ושל רוחב פס, חוסר ליניאריות ורעש 1/f). ביישום בקרת המנועים המיועד, מערכת מגבר PGA / ממיר ADC מבצעת דגימה של זרם פאזת המנוע מדי 60 מיקרו–שנייה, וחלון הדגימה המינימלי מוגדר ל–1 מיקרו–שנייה. איור 2 מראה צורת פולס זרם אופיינית על פני נגד מקבילי (shunt) שקיימת במערכת מנוע השראי. מאחר שהערך היעיל של הזרם יכול להשתנות במידה משמעותית ממחזור אחד לזה שאחריו, אין התאמה בין המשרעת (אמפליטודה) של מתח האות לבין המשרעת של האות הבאה לאחר מכן. במצב זה השימוש בדרגת הגבר המבוססת על דגימת CDS יכול היה להיות בלתי מתאים. לכמה הרכשות של מגבר PGA (למשל 4 דגימות), במהלך חלון הדגימה של 1 מיקרו–שנייה היה צורך באות שעון של 8 מגה–הרץ עבור מגבר PGA ובמגבר OTA עם צריכת הספק גבוהה. הפתרון היה להשתמש ביחידת דגימה והחזקה (S/H) מבוססת על דגימת CDS כדרגת כניסה למגבר PGA. יחידת S/H זו יכולה להגיע לדיוק המוצע באמצעות דגימה יחידה בלבד, תוך כדי שמירה על כל היתרונות המובנים בשיטת הדגימה CDS.
בנוגע לשטח וליכולת התכנות של ההגבר, הסתבר שהאימוץ של שלוש דרגות הוא הפשרה הטובה ביותר על מנת לעמוד בדרישה של הגבר 32x בשטח מינימלי. הקונפיגורציה שנבחרה מצוינת בצורה מודגשת בטבלה 1, בהתבסס על הגודל ועל ההצבה של מערך הקבלים. תכונה נוספת של מגבר PGA היא יכולתו לבצע כיולי הגבר והיסט פנימיים. לאחר ביצוע שתי שגרות כיול אלו, מגבר PGA נמצא מתאים להשגת רזולוציה של 12 סיביות.

תכנון המעגל
ביישום בקרת מנוע מתבצעת דגימה של אות שאינו מחזורי. כתוצאה מכך לא נוצר קשר בין משרעת מתח האות לבין המשרעת של האות שאחריו.
לכן, מעגל הדגימה וההחזקה (הנראה באיור 3) משמש כדרגה הראשונה של מגבר PGA במקום המגבר הרגיל עם קבלי SC, המבוסס על דגימת CDS. במעגל זה שגיאת ההגבר יחסית ל– Av-2. כתוצאה מכך, המגבר OTA בעל הגבר מתון (של 75 dB בערך) הנתון בקסקודה כפולה, משמש מבלי שיגרום לשגיאות גדולות הנובעות מההגבר הסופי שלו.
דרגות ההגבר וההמרה של אותות הפרשיים לאותות בקצה יחיד ממומשות באמצעות דרגת הגבר הפרשית מלאה עם קבלי SC, המבוססת על דגימת CDS, כפי שמוצג באיור 4. לארכיטקטורה הממומשת הזו אין צורך באיפוס של אות המוצא בכל פאזה של אות השעון, ולכן יורדות הדרישות עבור קצב העלייה של מגבר OTA. ניתוח של מגבר הפרשי מלא עם קבלי SC שבאיור 4 מראה שהגבר המתח האנלוגי שלו נתון בנוסחה הבאה (2):

את תכונת ההגבר הניתן לתכנון אנו מקבלים על ידי חלוקה של כל אחד מקבלי הדגימה לשלוש קבוצות. אות שעון הדגימה מאופשר בענפים נבחרים על פי הגדרת ההגבר. אימוץ השימוש בקבלים מתכתיים מבטיח ליניאריות מרבית על פני טווח הכניסה כולו, מתח הספק, הטמפרטורה והעיבוד. בנוסף, גודל קבלי היחידות נבחר על מנת שתיאום הקיבול יהיה מרבי עם השפעה מינימלית על שטח הסיליקון ועל הקיבולים הפרזיטיים.
מעגל המשוב בתצורה משותפת (CMFB) הנראה באיור 5, משתמש בקונפיגורציית קבלי SC עם העמסה סימטרית של לולאת המצב ההפרשי. ההעמסה הסימטרית מושגת על ידי הכפלת (שכפול) המעגל והחלפה של פאזות אות השעון. באופן כזה אנו מבטיחים שהמוצא של מגבר OTA יתייצב במהירות שהיא גדולה פי שניים מזו שמתקבלת בטופולוגיית CMFB המסורתית.
איור 6 מדגים את התרשים של מגבר OTA. זהו מגבר שרת הפרשי באופן מלא, עם כניסת nMOS בזכות העומס הקיבולי הטהור שלו. למגבר OTA אין צורך במעגל דחיפה במוצא, עובדה הגורמת להקטנת השטח וצריכת ההספק ולהפשטת פיצוי התדירות. מגבר זה יכול לשמש כמגבר הפרשי מלא או כמגבר לקצה יחיד. הוא פועל כמגבר ממיר של אות הפרשי לאות קצה יחיד, על ידי חיבור נקודת היציאה ההפוכה (OUTN) לכניסת הבקרה במצב משותף (CMC). השימוש בטרנזיסטורים בעלי מתח סף נמוך מבטיח מתח פעולה נמוך, אשר יכול להגיע עד 1.7 וולט.

הממשק הספרתי
PGA/ADC
הממשק שבין ממיר ADC למגבר PGA הוא המפתח לביצוע אופטימיזציה של המערכת ליישומי בקרת מנועים. יחידת בקרה ספרתית ניתנת לסינתוז, היא זו המספקת למגבר PGA אותות בקרה כדוגמת אפשור (enable), סיביות בחירת הגבר, אותות שעון וכיו”ב. לוגיקת בקרה זו מספקת שני אותות שעון נפרדים, אשר יוצרים הפרש של אותות שעון ספורים בין האות המעורר (trigger) בחומרה לבין ההתחלה של חלון הדגימה. הפרש זה קטן עד למינימום, כאשר אות השעון של המערכת פועל ב–32 מגה–הרץ ואות השעון של ההתקנים ההיקפיים משמש כבסיס לאותות השעון של ממיר ADC ומגבר PGA. איור 7 מציג את רצף אותות השעון של ממיר ADC ומגבר PGA.

תוצאות ניסיוניות
מאחר שממיר ADC ומגבר PGA תמיד קשורים, ההערכה בוצעה בשניהם בו–זמנית. השילוב ביניהם בוצע בתדירות של 8 מגה–הרץ עם תדירות של 32 מגה–הרץ במערכת הליבה. הסיכומים הסטטיסטיים מוצגים בטבלה 2. סטיית התקן, של יותר מ–4000 קריאות, לא עלתה מעולם על 0.18%. קיימת שגיאת היסט קבועה של +35 מילי–וולט אשר מתבטלת לחלוטין לאחר כיול ההיסט. נתיב האות מגיב באופן ליניארי כל עוד מתח הכניסה ההפרשי אינו עולה על (VDD-1.0) / (2.0*GAIN).
איור 8 מציג את התגובה הספקטרלית לאות כניסה הפרשי של 200 הרץ, אשר הורכב (בסופרפוזיציה) על אות כניסה משותף של 300 הרץ. החלק היסודי של האות ההפרשי נמוך ב–12 dB בערך מהטווח המלא (12 סיביות). החלק היסודי של אות הכניסה המשותף (CM1) נראה באופן ברור, אך הוא נמוך ב–64 dB מהחלק היסודי של האות ההפרשי, שבו אנו מעונינים. ההרמוניות של האות ההפרשי ב–200 הרץ (H2-H5) וגם של האות המשותף ב–300 הרץ (CM2-CM4)
נראות אף הן בתרשים. עם הגדרת הגבר של x1 במגבר PGA ו-VDDA של 3.6 וולט, מודגם יחס דחייה CMMR ב–DC של –70 dB. העיוותים ההרמוניים הכוללים (THD) שהתקבלו היו –77 dB כאשר הוכנס אות סינוס של 256 הרץ בכניסה. עבור סבבים אלו שימשה דגימה קבועה של 200 מחזורים לדגימה. איור 9 מציג את פוטוגרפית המיקרו (microphotography) של מגבר PGA.

מסקנות
במאמר זה הוצג מגבר הפרשי עם קבלים ממותגים לשימוש עבור עיבוד אות כניסה הפרשי מלא של יישומי בקרת מנועים. מגבר PGA מוסיף גמישות עצומה ליישומי בקרת מנועים, במיוחד בעת מימוש של מעגלי משוב חיישנים. בהכללת מגבר PGA אפשר לאמץ את שיטת בקרת המנועים הזו לסוגים שונים של מנועים, לסוגים שונים של חיישנים אנלוגיים ולרמות שונות של עומס. התקן DSC שמשלב את המגבר מומש בטכנולוגיית CMOS סטנדרטית של 0.25 מיקרו–מטר והתוצאות בסיליקון מראות שהוא משיג ליניאריות גבוהה יותר מ–11 סיביות ושגיאת הגבר נמוכה יותר מ–2 אחוזים. מערכת DSC הופעלה בהצלחה ביישומי בקרת מנועים כגון מנועי BLDC תלת–פאזיים, הינעי תדירות משתנה וכן במנועי כלים נישאים.