CC BY
59Компоненты и технологии, № 1'2004
Микросхемы с низким энергопотреблением
от компании Analog Devices
В любом оборудовании — портативном, промышленном, измерительном, компьютерном, широкого потребления и т. д., где в большей, а где в меньшей степени перед инженерами стоит задача по уменьшению потребления электроэнергии. Рассмотренные в этой статье компоненты компании Analog Devices, такие, как АЦП, ЦАП, усилители, датчики, интерфейсы и многие другие, входят в большую группу микросхем с малым энергопотреблением. В этом номере журнала мы рассмотрим температурные датчики и датчики, выполненные по технологии iMEMS (интегральные микроэлектромеханические системы): акселерометры и гироскопы.
Олег Романов
Уменьшение потребляемой энергии является общей темой в большинстве новых разработок, по мере того как разработчики добавляют новые функциональные возможности изделию в условиях ограниченной мощности источника питания, стоимости изделия и стоимости расходов на дальнейшую эксплуатацию. На рис. 1 представлена общая схема обработки сигналов. В общем случае природа сигнала может быть любой — это зависит от назначения изделия и от того, какой датчик (сенсор) используется. В роли датчика могут выступать различные датчики давления, температуры, движения, микрофоны, фото-, видеокамеры и т. д. У компании Analog Devices очень широко представлено семейство температурных датчиков.
Современные температурные датчики компании Analog Devices
Инженеры долгое время стремились повысить точность измерения температуры с одновременным уменьшением размеров корпусов интегральных температурных датчиков и их стоимости. Теперь,
благодаря компании Analog Devices, разработчики получили возможность решить эту задачу. Семейство высокоточных температурных датчиков компании Analog Devices пополнилось новыми микросхемами TMP05 и TMP06 с ШИМ-выходом. Микросхемы выпускаются в современных микрокорпусах (рис. 2) SOT23-5 (2,9х2,8 мм) и SC70-5 (2x2,1 мм).
• диапазон рабочих температур: —55_+ 150 °С;
• точность измерения при 25 °С: ±0,5 °С;
• точность измерения в диапазоне температур 0_+70 °С: ±1 °С;
• ШИМ-выход;
• TMP05 — выход, совместимый с КМОП/ТТЛ;
• TMP06 — выход с открытым стоком (3 мА);
• напряжение питания 3_5,5 В;
• энергопотребление: 70 мкВт при питании 3,3 В в режиме однократного измерения;
• 3 мкА в «спящем» режиме.
На выходе микросхемы длительность импульса высокого уровня Т1 постоянна, а длительность импульса Т2 меняется прямо пропорционально температуре. Измеренная температура вычисляется по формуле: Температура = 406 - 731х(Т1/Т2). Дли-
Компоненты и технологии, № 1'2004
Sc70
v+
Supply
Conv/ln
Func
TMP0S/TMP06
Digital
Temperature
Sensor
¥
T1
1O1
Out
T1
iOi
T2
T2
Vcc
I/O Micro Controller
T
OUT
MICRO
IN
CONV/IN
TMP05/06
#1
OUT
CONV/IN
TMP05/06
#2
OUT
CONV/IN TMP05/06 #3
OUT
CONV/IN
TMP05/06
#N
OUT
Рис. 2. Температурные датчики TMP05 и TMP06
Рис. 3. Шлейфовое подключение датчиков TMP05 и TMP06
тельность импульсов T1 и T2 можно подсчитать таймером-счетчиком любого микроконтроллера и вычислить температуру программным способом.
Микросхемы TMP05 и TMP06 имеют три режима измерения температуры:
• однократное измерение по запросу;
• непрерывное измерение;
• однократное измерение при шлейфовом
подключении нескольких датчиков.
Шлейфовое подключение (рис. 3) допускает многочисленное последовательное соединение TMP05 и TMP06 на один вход микроконтроллера, который будет единственным приемником всех температурных измерений. Второй вывод микроконтроллера используется для запуска измерений температуры цепочкой датчиков. Измерение температуры начинается после приема первым температурным датчиком стартового импульса с вывода микроконтроллера OUT. Стартовый импульс приходит на вывод CONV/IN датчика. Первый температурный датчик после приема стартового импульса осуществляет измерение температуры и результат измерения в виде последовательности импульсов T1 и T2 пересылает на вывод CONV/IN второго датчика. После информационной последовательности на этот же вывод CONV/IN первый датчик посылает стартовый импульс для начала измерения вторым датчиком. Таким образом, вывод CONV/IN датчика несет двойную функцию, он служит для приема импульсной последовательности от предыдущих датчиков и для приема стартового импульса. При шлейфовом подключении каждый последующий температурный датчик, за исключением первого, выступает в качестве буфера для сигналов температурных измерений от стоящих перед ним датчиков. После того как TMP05 или TMP06 передаст последовательность измерений других датчиков, он добавляет в конец этой последовательности свои данные. После информационной после-
довательности всегда следует стартовый импульс. В итоге, на один вход микроконтроллера поступают результаты измерений от температурных датчиков со стартовым импульсом от последнего датчика в конце последовательности (рис. 4). Данная схема подключения датчиков позволяет значительно экономить ресурсы микроконтроллера в области ввода-вывода.
ТМР35, ТМР36 и ТМР37 — малопотребляющие, прецизионные температурные датчики. Они имеют выход по напряжению, который прямо пропорционален температуре. ТМР35, ТМР36 и ТМР37 не требуют внешней калибровки и обеспечивают точность ±1 °С при +25 °С и ±2 °С при -40... +125 °С. Рабочий температурный диапазон может быть расширен до +150 °С при напряжении питания 5 В с уменьшением точности. Низкое выходное сопротивление ТМР35, ТМР36 и ТМР37, линейный выход и высокоточная заводская калибровка упрощают их сопряжение с АЦП. Все три микросхемы имеют напряжение питания 2,7. 5,5 В. При токе
потребления 50 мкА — саморазогрев менее чем 0,1 °С в неподвижном воздухе. Кроме того, функция выключения позволяет переводить микросхемы в «спящий» режим с потреблением менее чем 0,5 мкА.
• чувствительность 10 мВ/°С ТМР35, ТМР36 и 20 мВ/°С ТМР37;
• диапазоны измеряемых температур: +10. + 125 °С — ТМР35, -40. +125 °С — ТМР36 и +5. +100 °С — ТМР37 (рис. 5);
• максимальный рабочий температурный диапазон: -55. +150 °С;
• выходное напряжение при +25 °С: 250 мВ — ТМР35, 750 мВ — ТМР36 и 500 мВ — ТМР37;
• максимальное потребление в ненагружен-ном состоянии 50 мкА;
• корпуса: 80Т23-5, 801С8, ТО-92. Современные технологии изготовления
интегральных микросхем позволяют отка-
1-е измерение 2-е измерение N измерение Стартовый импульс
Рис. 4. Диаграмма выходного сигнала с последнего датчика при шлейфовом подключении
заться от классического решения измерения температуры с помощью аналоговых температурных датчиков. Компания Analog Devices предлагает альтернативное решение в области измерения температуры с помощью цифровых температурных датчиков. Данное решение имеет массу преимуществ по сравнению с классическим. Благодаря высокой степени интеграции в одном кристалле многочисленных функций, которые ранее выполнялись отдельными микросхемами, удается значительно снизить энергопотребление, площадь, занимаемую на печатной плате, и стоимость изделия.
Компания Analog Devices начала производство нового семейства цифровых температурных датчиков ADT7xxx, которые предлагают комбинацию многоканальных АЦП и ЦАП в дополнение к внутрикристальному температурному датчику и каналу обработки измерений удаленного температурного датчика. Использование вместе с возможностью измерения и контроля температуры дополнительных функций ADT7xxx позволяют осуществлять температурную компенсацию, проверку и управление различным оборудованием, включая усилители мощности, генераторы, блоки питания, вентиляторы и другое. Объединение этих функций в дешевое однокристальное решение позволяет инженерам оптимизировать свои разработки.
ADT7516, ADT7517 и ADT7518 — 10-разрядные цифровые температурные датчики, состоящие из 4-канальных АЦП, 4 ЦАП 12-, 10- и 8-разрядов соответственно (рис. 6).
2,0
1.8
I»
i1'4 8 1,2 2.
5 1,0
э 0,8 :
? 0,6
0,4 0,2 0
-50
тмра B. ТМРЭ C. ТМРЗ /
7 Л с ^
Vs= 3 Е /
в ^
/к
"А
0 25 50 75 100
Температура, °С
Рис. 5. Диаграмма диапазонов измерения температуры датчиками ТМР35, ТМР36 и ТМР37
Компоненты и технологии, № 1'2004
Таблица 1. Температурные датчики Analog Devices
Наиме- нование Разряд- ность, бит Точ- ность при +25 °С, °С Темп. диа- пазон, °С Интер- фейс Iп в «спящем режиме», мкА !п, мА U^ В Корпус Комментарии
ADT7316 1O O,5 -4O... +125 SMBus/ SPI/I2C 1 1,3 2,7... 5,5 QSOP16 канал внешнего темп. датчика, 4 ЦАП 12 бит
ADT7317 1O O,5 -4O... +125 SMBus/ SPI/I2C 1 1,3 2,7... 5,5 QSOP16 канал внешнего темп. датчика, 4 ЦАП 10 бит
ADT7318 1O O,5 -4O... +125 SMBus/ SPI/I2C 1 1,3 2,7... 5,5 QSOP16 канал внешнего темп. датчика, 4 ЦАП 8 бит
ADT7411 1O O,5 -4O... +125 SMBus/ SPI/I2C 1 1,3 2,7... 5,5 QSOP16 8 каналов АЦП
ADT7516 1O O,5 -4O... +125 SMBus/ SPI/I2C 1 1,3 2,7... 5,5 QSOP16 4 канала АЦП, 4 ЦАП 12 бит
ADT7517 1O O,5 -4O... +125 SMBus/ SPI/I2C 1 1,3 2,7... 5,5 QSOP16 4 канала АЦП, 4 ЦАП 10 бит
ADT7518 1O O,5 -4O... +125 SMBus/ SPI/I2C 1 1,3 2,7... 5,5 QSOP16 4 канала АЦП, 4 ЦАП 8 бит
Они имеют температурный датчик на кристалле и благодаря 4 канальному АЦП, обладают возможностью удаленного измерения температуры путем подключения внешнего температурного датчика. Они имеют SMBus/SPI/PC-совместимые интерфейсы, напряжение питания 2,7. З,З В, широкий температурный диапазон -40. +12З “C.
ADT7316, ADT7317 и ADT7318 — цифровые температурные датчики со сходными функциональными возможностями, но с одним каналом подключения внешнего температурного датчика.
ADT7411 — 10-разрядный цифровой температурный датчик с 8-канальным АЦП.
Акселерометры и гироскопы компании Analog Devices
Компания Analog Devices, являясь пионером и лидером в области технологии iMEMS (интегральные микроэлектромеханические системы), предлагает интегральные высокоточные и малопотребляющие акселерометры и гироскопы. Благодаря акселерометрам и гироскопам компании Analog Devices громоздкие механические устройства можно заменить высоконадежными интегральными микросхемами. Акселерометры компании Analog Devices содержат подвижные микроскопические кремниевые части и сложные каскады обработки сигналов, что позволяет изготовить в виде одной ИМС акселерометры с низким энергопотреблением.
ADXL203 и ADXL103 — однокристальные, прецизионные, с малой потребляемой мощностью, двух- и одноосевые акселерометры со схемами предварительной обработки. ADXL203 и ADXL103 имеют рабочий диапазон ускорений ±1,7 g и способны реагировать как на статическое, так и на динамическое воздействие (гравитация и вибрация). Выходной сигнал представляет собой напряжение, пропорциональное ускорению с коэффициентом 1 В/g. Типичное значение шума— 0,00013 g/^Гц, что обеспечивает точность 0,001 g (наклон в 0,06“). Выдерживают ускорения до ЗЗ00 g.
ADXL311 — двухосевой акселерометр с динамическим диапазоном ±2 g, имеющий ана-
логовые выходы, который может измерять как динамическое (вибрация), так и статическое (гравитация) ускорение. Выходной сигнал представляет собой напряжение, пропорциональное ускорению, с коэффициентом 167 мВ/g. Выдерживают ускорения до 3500 g.
Список потребителей и области применения акселерометров существенно вырос и продолжает расти. Например, в персональных ЭВМ и телефонных трубках акселерометры позволяют реализовать прокручивание пунктов меню, просмотр карт или веб-станиц без дополнительных кнопок управления. Разработчики спортивных и медицинских устройств применяют их в измерителях числа шагов, перемещения и скорости. Акселерометры также используются в портативном оборудовании контроля кровяного давления, а также позволяют изготавливать всевозможные датчики наклона и перемещения, которые широко используются в автомобильной промышленности, для стабилизации положения различных промышленных платформ, в системах навигации.
Датчики угловой скорости (гироскопы) компании Analog Devices преобразуют уг-
Таблица 2. Акселерометры Analog Devices
ловую скорость вращения в напряжение. Напряжение с выхода микросхемы имеет прямопропорциональную зависимость от скорости вращения микросхемы (рис. 7). Гироскопы компании Analog Devices имеют ряд важных преимуществ по сравнению с гироскопами других компаний, созданных по другим технологиям. Важнейший для портативных автономных устройств параметр — это энергопотребление. Гироскопы ADXRS150 и ADXRS300 компании Analog Devices потребляют ток величиной 6 мА при номинальном напряжении питания 5 В, имеют малые габариты и массу, во много раз меньшие, чем у любых других гироскопов. Гироскопы типа ADXRS150 и ADXRS300 выпускаются в миниатюрных корпусах размером 7x7x3 мм с выводами в виде матрицы шариков (BGA), вес такого прибора не превышает 0,5 г. Рекордно низкие массогабаритные показатели чувствительных элементов, обеспечиваемые электромикромеханической технологией iMEMS, сочетаются с интеграцией всех необходимых электронных схем обработки сигнала в одной микросхеме. Низ-
Тип Кол-во осей, шт. Диапазон, g Разрешение, мg Ширина полосы частот, кГц U^ В !п, мА Диапазон раб. температур, C Тип выходного сигнала
ADXL1O3 1 ±1,7 2 2 3-6 O,7 -4O... +125 U
ADXL2O3 2 ±1,7 2 2 3-6 O,7 -4O... +125 U
ADXL311 2 ±2 5 б 2,7-5 O,4 O... +7O U
Ось
вращения
Выходной
сигнал
Продольная ось
А1
Рис. 7. График выходного сигнала гироскопов АЭХ1?3150 и АЭХ1?3300. (* - диапазон измерений АЭХ1?3150]
Компоненты и технологии, № 1'2004
Таблица 3. Гироскопы Analog Devices
Тип Диапазон измерений угловой скорости, °/с Плотность шума, °/с^Гц Ширина полосы частот, Гц U^ В !п, мА
ADXRS15O 15O O,O5 4O 4,75-5,25 б
ADXRS3OO 3OO O,1 4O 4,75-5,25 б
кая стоимость датчиков угловой скорости 1МЕМ8 также ставит их в особое положение среди других гироскопов.
Кроме того, гироскопы 1МЕМ8 отличаются высокой надежностью. В данных приборах для повышения надежности (впервые в коммерчески доступных гироскопах данного класса) предусмотрена встроенная система полного механического и электронного автотестирования, которая функционирует без отключения датчиков.
Патентованные решения, которые воплощены в технологии 1МЕМ8, обеспечивают экстраординарную устойчивость датчиков
1МЕМ8 к ударам и вибрации. Гироскопы ADXRS выдают стабильный выходной сигнал в присутствии механических шумовых колебаний с величиной ускорения до 2000 % в широком диапазоне частот. Это уникальное свойство важно, например, для таких систем, как автомобильный датчик переворота, где переворот транспортного средства должен быть достоверно распознан электронными системами автомобиля в условиях помех от ударов и вибрации в результате столкновения или выезда за пределы проезжей части.
Таким образом, сочетание уникальных показателей сразу по многим параметрам поз-
воляет данным приборам служить средством как для улучшения характеристик и возможностей имеющихся разработок, так и для воплощения новых конструкторских идей. Сигнал, получаемый с гироскопа, может быть использован для повышения точности и надежности систем позиционирования и навигации (GPS), для стабилизации подвижных систем автомобилей, самолетов, роботов, антенн и промышленного оборудования, для ввода данных в портативные компьютеры (PDA) и во многих других областях.
В следующих публикациях будет продолжено рассмотрение ИМС компании Analog Devices с малым энергопотреблением. Во второй части будут рассмотрены АЦП с малым энергопотреблением компании Analog Devices.
Более подробную информацию о микросхемах компании Analog Devices можно найти на официальном сайте компании www.analog.com.
