AN-1201. Использование микросхем GreenPAK для построения систем мониторинга температуры

Система мониторинга температуры, рассмотренная в статье, имеет чувствительность 1,7 мВ / °C. Результаты испытаний, основанных на выборке из трех микросхем GreenPAK, свидетельствуют о том, что ошибка, вносимая микросхемами GreenPAK, составляет около 1° C.
2197
В избранное

В данной статье рассказывается о перспективах использования программируемых микросхем смешанных сигналов GreenPAK в системах мониторинга температуры, в том числе для центральных процессоров с целевым рабочим диапазоном от 25 °C до 100 °C.

В рассматриваемой системе измерения применялся дистанционный датчик температуры на базе транзистора 2N3904 и логика управления, которая была реализована с помощью микросхемы смешанных сигналов GreenPAK. При этом основой целью было достижение собственной погрешности измерений +/- 1 °C при использовании микросхем SLG46537V.

Метод двух токов

Суть метода двух токов заключается в измерении разности напряжений на диоде, полученных при его прямом смещении двумя разными токами I_L и I_H. Для этого используются два источника тока, диод, конденсатор и полевые FET-транзисторы (рис. 1).

Схема измерения температуры методом двух токов

Рис. 1. Схема измерения температуры методом двух токов

Прямое падение напряжения на диоде зависит от тока, который в свою очередь определяется внутренним электронным полем p-n-перехода. Вычитая значения прямых напряжений при двух известных токах смещения, можно исключить общие переменные, такие как сами токи смещения и ток насыщения.

Ток прямого смещения диода ID связан с током насыщения IS и прямым напряжением VD следующим соотношением:

где η - коэффициент идеальности диода (коэффициент эмиссии), VT = kT/q. k - постоянная Больцмана, q –заряда электрона.

В рассматриваемом примере I_H будет током смещения I1, а I_L будет током смещения I2. Тогда выражения для этих двух значений токов смещения будут иметь вид:

Разделив полученные выражения друг на друга, можно избавиться от тока насыщения. Кроме того, соотношение I1/I2 является постоянной величиной и заменяется константой N:

Если N известно, то, измеряя разность между V1 и V2, можно рассчитать температуру T.

Коэффициент идеальности η

Значения k и q являются константами и не зависят от напряжения и конкретного диода. Однако коэффициент идеальности η изменяется в диапазоне от 1 до 2. Чем ближе его значение к 1, тем больше преобладает диффузия носителей. Чем ближе его значение к 2, тем больше доминирует процесс рекомбинации. Увеличение коэффициента идеальности приводит к росту ошибки измерения температуры, потому что температура сильно влияет на рекомбинацию, но не на диффузию. [1]

В качестве диода для измерения температуры следует использовать биполярные транзисторы, у которых коллектор и база закорочены между собой. Такое решение лучше, чем обычные выпрямительные диоды, потому что значение идеальности для транзисторов обычно известно.

Почти все биполярные транзисторы имеют коэффициент идеальности, близкий к 1. К другим важным параметрам биполярных транзисторов можно отнести коэффициент усиления прямого тока β и последовательное сопротивление RS. Коэффициент усиления тока зависит от температуры и тока коллектора, а последовательное сопротивление вносит постоянное напряжение смещения при всех температурах. По этой причине рекомендуется выбирать транзистор, у которого β не меняется в диапазоне токов между I_H и I_L.

Схема испытания

Цель эксперимента заключалась в определении погрешности измерения температуры в трех базовых точках 40° C, 60° C и 80 °C.

На рисунке 2 показана принципиальная схема, применявшаяся в эксперименте. Резисторы R3 и R4 задают токи I_H и I_L, обозначенные на рисунке 1. Транзисторы NMOS и PMOS являются встроенными в микросхему GreenPAK (выходы PIN 13 и PIN 15).

Схема измерения температуры на базе микросхемы

Рис. 2. Схема измерения температуры на базе микросхемы

Внутренняя схема микросхемы GreenPAK показана на рисунке 3. Период опроса датчика температуры составляет 10 мс.Конденсатор C4 заряжается током I_L, когда NMOS открыт (на его выходе присутствует низкий уровень), а PMOS находится в высокоимпедансном состоянии. Если же PMOS открыт (на его выходе присутствует высокий уровень), а NMOS находится в высокоимпедансном состоянии, то C4 заряжается током I_H. Логика управления запрограммирована таким образом, чтобы обеспечить мертвое время между интервалами включения NMOS и PMOS для получения разности напряжений на C4. Напряжение с конденсатора C4 поступает на вход IN+ операционного усилителя SLG88103V. Форма напряжения на конденсаторе C4 показана на рисунке 4.

Внутренняя схема микросхемы GreenPAK

Рис. 3. Внутренняя схема микросхемы GreenPAK

Форма напряжения на конденсаторе C4

Рис. 4. Форма напряжения на конденсаторе C4

Вывод PIN 7 микросхемы GreenPAK подключается к делителю напряжения с подстрочным резистором (тримпот), который используется для регулировки напряжения переключения аналогового компаратора ACMP0 во внутренней схеме GreenPAK. Напряжение переключения определяет момент, когда напряжение на выводе PIN 7 становится равным напряжению на выводе PIN 6 (выходное напряжение ОУ). Напряжение на выходе операционного усилителя, и, следовательно, напряжение переключения ACMP0, зависит от температуры. Поэтому в эксперименте сопротивление P1 изменяется до тех пор, пока не произойдет переключение. Зная величину сопротивления потенциометра P1 можно вычислить напряжение переключения ACMP0 (Vref).

Результаты

Значение погрешности, вносимой микросхемой GreenPAK (ошибка измерения температуры), определялось опытным путем при тестировании трех микросхем. Результаты трех испытаний одного и того же устройства с разными микросхемами GreenPAK 5 показаны в таблице 1. Использовались следующие условия проведения эксперимента:

  • Температура в термокамере измерялась с помощью термопары
  • Сопротивление P1 измерялось с помощью мультиметра fluke
  • Величины Vref рассчитывались на основе значения сопротивления P1

Таблица 1. Результаты измерений с тремя различными микросхемами GreenPAK

Обобщение результатов приведено на рисунке 5.

Результаты измерений с тремя различными микросхемами GreenPAK

Рис. 5. Результаты измерений с тремя различными микросхемами GreenPAK

Из рисунка 5 видно, что датчики 2 и 3 имеют линейные характеристики, которые перекрываются между собой. Характеристика датчика 1 очень близка к линеаризованной характеристике этого же датчика.

Наклон характеристик для датчиков 2 и 3, а также линеаризованной характеристики датчика 1 составляет 1,7 мВ на 1 °C (в диапазоне от 40 °C до 80 °C).

Максимальное различие между показаниями трех устройств GreenPAK составляет 2 мВ. Это означает, что GreenPAK вносит ошибку около 1 °C.

Источники погрешностей

Аналоговый компаратор

Результаты испытаний с тремя различными микросхемами GreenPAK показали, что основным источником погрешностей при проведении измерений, скорее всего, станет аналоговый компаратор ACMP0.

В рассматриваемой схеме компаратор ACMP0 имеет следующие особенности включения:

  • Вход IN+: вывод pin6,
  • Вход IN-: внешнее напряжение. Vref (вывод pin7),
  • Коэффициент усиления: 1,
  • Гистерезис: не используется.

Напряжение смещения ACMP и, следовательно, напряжение переключения, меняется при изменении температуры и напряжения питания.

Очевидно, что выборки, включающей результаты измерений трех образцов микросхем GreenPAK, не достаточно для статистического анализа. В качестве базовой выборки следует использовать данные Silego ACM Offset Voltage, полученные в ходе исследования характеристик 35 микросхем при различных температурах и напряжениях. Величины смещений для компонентов ACMP, измеренные при комнатной температуре для Ext.Vref = 600 мВ и напряжения питания 5 В, показаны в таблице 2.

Таблица 2. Усредненные значения смещений для 35 компонентов ACMP, измеренные при комнатной температуре для Ext.Vref = 600 мВ и напряжения питания 5 В

Vdd=5,0В

мин, мВ

ср. знач, мВ

макс, мВ

Vih, мВ

599,743

1,244

603,442

Vih, мВ

600,053

1,244

604,366

Макс смещение

0,257

1,244

4,366

Вычисления смещений Silego Voffset основаны на приведенном ниже уравнении:

Voffset = max (abs(Ext.Vref-Vih), abs(Ext.Vref-Vil),

Точность +/- 0,2 мВ.

Результаты испытаний на основе выборки из 35 микросхем показывают, что максимальное смещение ACMP может достигать 4,366 мВ, что равноценно погрешности измерения температуры до 2,5 °C.

Транзистор 2N3904

Среди параметров транзисторов, влияющих на точность измерения температуры, в первую очередь следует выделить коэффициент усиления тока β(I) и последовательное сопротивление Rs. Однако, как показывают лабораторные исследования, проведенные компанией Microchip при исследовании характеристик транзисторов 2N3904, параметры β(I) и Rs оказывают небольшое влияние на точность измерения температуры во всем диапазоне токов смещения 4,5…920 мкА. На рисунке 6 представлены значения коэффициента усиления для транзисторов, протестированных Microchip. Их можно использовать в качестве типовых значений для 2N3904 [1].

Типовые значения коэффициента усиления для транзисторов 2N3904 при температуре 23°C

Рис. 6. Типовые значения коэффициента усиления для транзисторов 2N3904 при температуре 23°C (результаты лабораторных исследований компании Microchip)

Ниже приведено уравнение, которое позволяет оценить влияние коэффициента усиления на точность измерений. Оно показывает, что при 80 °C погрешность составляет 0,02°C.

Согласно результатам испытаний, проведенных Microchip для транзисторов 2N3904, величина Rs составляет около 0,7 Ом. Тогда с учетом приведенного ниже уравнения, можно определить температурную погрешность, вносимую Rs. Она оказывается равной 0,8 °C [1]:

Влияние операционного усилителя

Напряжение смещения для операционного усилителя SLG88103V обычно составляет 0,35 мВ (до 2,4 мВ при работе с синфазными напряжениями VCM вблизи VSS (земля)), плюс дополнительное смещение 0,16 мВ (T = 80 °C) из-за температурного дрейфа. Эти типовые значения приводят к небольшой дополнительной погрешности измерения температуры. Однако если учитывать величину максимального смещения, то операционный усилитель SLG88103V может внести ошибку более 1 °C.

Заключение

Система мониторинга температуры, рассмотренная в данной статье, имеет чувствительность 1,7 мВ / °C.

Результаты испытаний, основанных на выборке из трех микросхем GreenPAK, свидетельствуют о том, что ошибка, вносимая микросхемами GreenPAK, составляет около 1 ° C.

При проведении экспериментов удаленный датчик температуры помещался в термокамеру, в то время как измерительная система с микросхемой GreenPAK находилась при комнатной температуре.

Ключевые особенности измерительной системы:

  • Диапазон измеряемых температур: 25…100 °C;
  • Точность датчика температуры (транзистор 2N3904 ): ±1 °C;
  • Собственная погрешность системы измерения: ±1,5 °C;
  • Напряжение питания: 1,7…5,5 В;
  • Период опроса: 10 мс;
  • Чувствительность: 1,7 мВ / °C;
  • Ток потребления: 29 мкА.

Характеристики микросхемы SLG46537V:

  • Тип: однократно программируемая микросхема смешанных сигналов;
  • Память: 8 байт ОЗУ и однократно программируемая ПЗУ конфигурации;
  • Аналоговые функции: четыре компаратора, два ИОН, датчик температуры.
  • Цифровые функции: два фильтра, до 18 портов ввода/вывода, матрица соединений и комбинаторная логика, программируемая схема задержки, программируемый функциональный генератор, пять 8-битных счетчиков, два 16-битных счетчика;
  • Автомат состояний: 8 состояний;
  • Коммуникационный интерфейс: I2C;
  • Встроенные генераторы: 25 кГц, 2 МГц, 25 МГц;
  • Диапазон напряжений питания: 1,8…5 В;
  • Диапазон рабочих температур: -40…85 °C;
  • Корпусное исполнение: 2 x 3 x 0,55 мм STQFN-20, 2 x 2,2 x 0,55 мм STQFN-22.
Производитель: Silego Technologies, Inc
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
SLG46537V
SLG46537V
Silego Technologies, Inc
Арт.: 2559663 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
Однократно программируемая микросхема смешанных сигналов, выполненная в миниатюрном корпусе: 2x3x0,55 мм 20-выводной STQFN
SLG46537V от 162,63
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()