Jste zde

Digitální teplotní chipy TI s extrémně nízkou spotřebou

Antonín Vojáček, 5. Únor 2006 - 0:09

V seriálu o chipech senzorů teploty teď padla volba na nabídku Texas Instruments. Zde na první pohled vypadají všechny digitální senzory podobně, ale pod podobnou architekturou se skrývají rozdílné vlastnosti a hlavně velmi nízká spotřeba v plném provozu třeba jen 50 µA ! To je zajímavá hodnota proti konkurenci s o řád vyšší spotřebou.

V tomto článku se budu zabývat novými senzory v nabídce firmy Burr Brown, v současné době převzatá firmou Texas Instruments. Když si jen letmo projedete níže uvedený stručný popis, určitě vás zarazí, že všechny uvedené senzory mají na první pohled stejné blokové schéma. Uvedené senzory mají totiž "stejnou" základní architekturu, ale navzájem se liší různými vlastnostmi, jako je spotřeba, napájecí napětí, komunikační rozhraní a provedení pouzdra. Například celá řada TMP12x se vyznačuje opravdu velmi nízkou spotřebou 50 µA za plného provozu, což takové senzory umožňuje napájet klidně jen malinkým solárním článkem (takovým, jako je například v běžných "starých" kalkulačkách). Některé obvody se zase vyznačují možností volby počtu bitů A/D převodníku nebo ALERT výstupem pracující jako termostat s hysterezí. Pro digitální komunikaci je možné vybrat I2C, SMBus nebo SPI.

Z pohledu použití jsou vhodné pro veškeré bateriově nebo solárně napájené zařízení nebo v případě senzoru TMP105, s miniaturním pouzdrem vskutku milimetrových rozměrů, pro moderní mikrozařízení a senzorové systémy.

TMP100/101 - Digital Temperature Sensor with I2C Interface

Provedení: TMP100 je digitální senzor pro napájecí napětí 3 až 5 V a velmi nízkou spotřebou a A/D převodníkem s nastavitelným bitovým rozlišením a tím i rychlost převodu. Buď tedy potřebujeme velkou rychlost převodu a obětujeme rozlišení nebo naopak. To se volí v 8bitovém řídícím registru senzoru. Výstup ALERT funguje jako teplotní termostat, který lze nastavit v jednom ze čtyř módů.

Hlavní vlastnosti:

Napájení: 2.7V až 5.5V
Spotřeba: max. 75 µA (max. 1 µA v shutdown módu)
Měřící teplotní rozsah: -55°C až +125°C
Přesnost: typ. ±0.5°C (max. ±2°C) (-25°C až +85°C), typ. ±2°C (max. ±3.0 °C)(zbytek rozsahu)
Rozlišení: až ± 0.0625 °C (12 bitů)
Výstupy: 9 až 12bitový A/D převodník sigma-delta, rychlost převodu max. 75 ms pro 9 bitů až 600 ms
Výstupní rozhraní: dvouvodičová sériová obousměrná (halfduplex) sběrnice kompatibilní s SMBus a I2C (vodiče SDA, SCL)
Pouzdro: 6vývodové SOT23
Další: termostatický výstup ALERT se čtyřmi řežimy pro volbu

Komunikační výstupy a vnitřní registry senzoru

Katalogový list obvodu TMP100 (15 stran - 223kB)

TMP105 - Digital Temperature Sensor with Two-Wire Interface

Provedení: Na první pohled je tento obvod shodný se senzorem TMP100, což ale po podrobnějším přeszkoumání není pravda. Zaprvé je tento senzor určen pro 3 V napájení. Velkou výhodou i proti konkurenci je doslova miniaturní spotřeba. Dokázali by jste si dříve představit senzor se pracovní spotřebou typicky 50 µA ? Takový senzor je možné napájet i z malinkého slunečního článku z kalkulačky. Další zajímavostí je šestivývodové miniaturní pouzdro WCSP (Wafer Chip-Scale Package), resp. DSBGA, rozměrů 1.5 x 1 mm ! Takový senzor již lze dostat do nejednoho malinkého prostoru. Oběť je možné zvolit bitové rozlišení A/D převodníku a tím i rychlost převodu a rozlišení. ALERT výstup pak pracuje stejně jako u TMP100 ve čtyřech módech - viz. obrázek níže.

Hlavní vlastnosti:

Napájení: 2.6 až 3.3 V
Spotřeba: max. 100 µA (max. 3 µA v Shutdown módu)
Měřící teplotní rozsah: -40°C až +125°C
Přesnost: typ. ±0.5°C (max. ±2°C) (-25°C až +85°C), typ. ±2°C (max. ±3.0 °C)(zbytek rozsahu)
Rozlišení: až ±0.0625 °C (12 bitů)
Výstupy: 9 až 12bitový A/D převodník sigma-delta, rychlost převodu max. 37.5 ms pro 9 bitů až 300 ms
Výstupní rozhraní: dvouvodičová sériová obousměrná (halfduplex) sběrnice kompatibilní s SMBus (vodiče SDA, SCL) + určení adresy
Pouzdro: 6vývodové pouzdro WCSP, DSBGA
Další: termostatický výstup ALERT se čtyřmi režimy pro volbu

Vnitřní zapojení senzoru a pouzdro senzoru TMP105

Průběh a možnosti nastavení ALERT výstupu senzoru

Katalogový list obvodu TMP105 (14 stran - 158kB)

TMP121 - Accurate Temperature Sensor with SPI Interface

Provedení: TMP121 (TMP123) je teplotní senzor s ultranízkou spotřebou maximálně 50 µA při napájení 3 až 5V a slušnou přesností s maximální chybou 2 °C v celé rozsahu -40°C až +125°C. V okolí pokojových teplot je pak chyba jen 0.5 °C. Hodnota teploty je uložena v 16bitovém registru, protože převodník je 12bitový, a lze ji přečíst přes SPI rozhraní/sběrnici. Níže je tabulka slov odpovídající klíčovým teplotám. Prostě jde o kvalitní, ale velmi jednoduchý senzor, který je snadné bez problémů použít.

Hlavní vlastnosti:

Napájení: 2.7 V až 5.5 V
Spotřeba: max. 50 µA (max. 1 µA v Shutdown módu)
Měřící teplotní rozsah: -40°C až +125°C
Přesnost: typ. ± 0.5°C (max. ± 1.5°C) (- 25°C až + 85°C), typ. ± 1°C (max. ± 2.0 °C)(zbytek rozsahu)
Rozlišení: ± 0.0625 °C (12 bitů)
Výstupy: 12bitový A/D převodník sigma-delta, rychlost převodu max. 320 ms
Výstupní rozhraní: dvouvodičové SPI rozhraní (signály SO a SCK)
Pouzdro: 6vývodové SOT-23
Další: signál výběru chipu CS (Chip Select)

Vnitřní zapojení senzoru TMP121

Tabulka datových signálů pro hlavní hodnoty teploty

Katalogový list obvodu TMP121 (9 stran - 166kB)

TMP122/124 - Programmable Digital Sensors with SPI™ Interface

Provedení: Dvoukombinace senzorů 122 a 124, které se prakticky liší jen použitým pouzdrem, má kombinaci vlastností senzoru TMP105 a 121. To znamená napájení 3 V, velmi nízkou spotřebu, možnost softwarové volby počtu bitů převodníku a tím i převodní rychlosti a SPI rozhraní pro změnu nastavení vnitřních registrů a přečtení naměřené teploty. Tentokrát lze výstup ALERT, pracující jako termostat s hysterezí, softwarově přednastavit pouze ve třech režimech.

Hlavní vlastnosti:

Napájení: 3.0 až 3.6 V
Spotřeba: max. 50 µA (max. 1 µA v Shutdown módu)
Měřící teplotní rozsah: -40°C až +125°C
Přesnost: typ. ± 0.5°C (max. ± 1.5°C) (- 25°C až + 85°C), typ. ± 1°C (max. ± 2.0 °C)(zbytek rozsahu)
Rozlišení: až ± 0.0625 °C (12 bitů)
Výstupy: 9 až 12bitový A/D převodník sigma-delta, rychlost převodu max. 40 ms pro 9 bitů až max. 320 ms
Výstupní rozhraní: dvouvodičové SPI rozhraní (signály SO a SCK)
Pouzdro: 6vývodové pouzdro SOT23 a 8vývodové SOIC
Další: ALERT termostatický výstup s třemi režimy přepínání výstupu

Blokové schéma vnitřního zapojení obvodu TMP122/124

Přenos 16bitových dat přes SPI komunikaci

Katalogový list obvodu TMP122/124 (14 stran - 318kB)

TMP175 - Temperature Sensor with Three Address Lines

Provedení: Proti ostatním předcházejícím senzorům se tento výrazně liší hlavně třemi adresními vstupy, které umožňují na jednu sběrnici kompatibilní s SMBus připojit až 27 obvodů. Logický výstup ALERT pak může pracovat ve dvou režimech: Interrupt Mode (TM = 1) a Comparator Mode (TM = 0). Při prvním z nich nastává výstup aktivní při měřené teplotě rovné nebo vyšší než je nastavená hodnota v registru THIGH a do doby než dojde k přečtení libovolného vnitřního registru nebo je přijat po sběrnici signál SMBus Alert Response Address. Druhý případ je klasický, kdy je výstup v logické 1 při překročení hodnoty uvedené v registru THIGH a v logické 0 při poklesu pod hodnotu TLOW.

Hlavní vlastnosti:

Napájení: 2.7 V až 5.5 V
Spotřeba: max. 100 µA (3 µA v shutdown módu)
Měřící teplotní rozsah: -40°C až +125°C
Přesnost: typ. ± 0.5°C (max. ± 1.5°C) (- 25°C až + 85°C), typ. ± 1°C (max. ± 2.0 °C)(zbytek rozsahu)
Rozlišení: až 0.0625 °C (12 bitů)
Výstupy: 9 až 12bitový A/D převodník sigma-delta, rychlost převodu max. 37.5 ms pro 9 bitů až max. 320 ms pro 12 bitů
Výstupní rozhraní: dvouvodičová sériová obousměrná (halfduplex) sběrnice kompatibilní s SMBus (vodiče SDA, SCL) + 3bitové určení adresy
Pouzdro: 8pin. SO a MSOP
Další: ALERT termostatický výstup s třemi režimy přepínání výstupu

Závislost spotřeby na měřené teplotě

Katalogový list obvodu TMP175 (16 stran - 316kB)

Závěr

V porovnání s jinými výrobci teplotních senzorů vypadá nabídka firmy Texas Instruments trošku jednotvárná. Na druhou stranu poskytuje v rámci jednotného jádra struktury různé variace vlastností a komunikačních rozhraní. Jako obecně hlavní výhoda všech uvedených senzorů proti konkurenci je minimální spotřeba v řádu desítek mikroampér při plném režimu funkce a miniaturní provedení některých obvodů. Pokud tedy potřebujete jednoduchý digitální teplotní senzor s malým množstvím funkcí a využijete již zmíněných kladných vlastností, jsou obvody Texas Instruments dobrou volbou. Jinak se musíte zabrousit ke konkurenci.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz