Интеллектуальное мультиплексирование диодов для измерения температуры

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019

Там, где есть энергия, есть тепло, а там, где есть тепло, часто возникает необходимость измерять температуру – самую часто измеряемую физическую переменную. То, что мы называем температурой, является нашей оценкой тепловой энергии материала, и для ее измерения существует множество датчиков, начиная от очень дешевых с ограниченным диапазоном, и заканчивая сложными и специализированными приборами. В некоторых случаях существует множество жизнеспособных вариантов, и принять решение о том, какой датчик использовать, бывает непросто, в то время как в других случаях прокатит, так сказать, только один или несколько. Неудивительно, что выбор подходящего датчика является функцией самой ожидаемой температуры (верхняя, нижняя и диапазон), требуемой точности и разрешения, стоимости (конечно же) и других факторов.

Рисунок 1.	Вольтамперная характеристика диодного перехода очень нелинейна и может быть как мешающим фактором, так и полезным.

С момента установления физической взаимосвязи между температурой, напряжением и током перехода [1] обычные диоды и диодные переходы транзисторов стали использоваться для измерения температуры. Вспомните основы полупроводниковых устройств, и вы, вероятно, узнаете этот экспоненциальный график (Рисунок 1).

Он проясняет классические уравнения для диода, смещенного в прямом направлении:

где

I_S – обратный ток насыщения;
V – прямое падение напряжения на диоде;
η – коэффициент идеальности (константа со значением между 1 и 2);
V_T – термо-ЭДС диода, равная, в свою очередь:

где

T – абсолютная температура перехода в градусах Кельвина;
q – заряд электрона;
k – постоянная Больцмана.

Возможно, вы подумали: «Пожалуйста, хватит физики, мне это давно известно». С другой стороны, если вам это не знакомо, было бы неплохо выйти в Интернет, чтобы узнать немного об уравнении диода, или освежить свою память.

Эта температурная зависимость диодного перехода является одновременно и проклятием, и благословением. Она оказывает серьезное влияние на основные характеристики полупроводникового устройства, поскольку из-за нее, конечно, изменяются токи и напряжения, а температурный коэффициент является тщательно контролируемым параметром, приводимым в технических характеристиках. Чтобы минимизировать его воздействие или, что еще лучше, разработать схемы, нечувствительные к температуре, разработчики микросхем прибегают ко многим ухищрениям.

Хотя эта температурная чувствительность мешает работе дискретных устройств и интегральных схем, она, в то же время, может применяться для измерения температуры. Во многих аналоговых и цифровых устройствах используются встроенные переходы для определения собственной температуры кристалла, и даже для отключения, если кристалл становится слишком горячим. Это устраняет необходимость в отдельном датчике и является экономичным решением для самоконтроля устройства.

Однако если потребуется подключить несколько внешних диодов, используемых в качестве датчиков, интерфейс может усложниться из-за необходимости мультиплексирования и аналого-цифрового преобразования. К счастью, производители микросхем осознали проблемы использования нескольких диодов и создали несколько уникальных интерфейсов для использования с этими датчиками. Именно этим заинтриговало меня семейство низковольтных микросхем диодных датчиков EMC1812, недавно выпущенное компанией Microchip Technology (Рисунок 2). В зависимости от конкретного прибора, выбранного из этого семейства, микросхемы могут обслуживать от одного до четырех внешних диодных датчиков температуры и один встроенный диод.

Рисунок 2.	Семейство микросхем EMC1812 компании Microchip Technology обеспечивает больше, чем просто аналоговый интерфейс к одному или нескольким диодам, используемым в качестве датчиков температуры. Оно также поддерживает оцифровку сигнала, интерфейс процессора и некоторые базовые функции анализа, разгружающие процессор.

Микросхемы семейства EMC1812 делают гораздо больше, чем просто обеспечивают интерфейс к диодам и дискретизацию сигналов, обмениваясь через SMBus/I²C-совместимый интерфейс. Они способны реализовать расчет скорости изменения температуры и затем выдать предупреждающий сигнал, если эта скорость превышает установленные пользователем пределы. Микросхемы также улучшают характеристики диодов, используемых в качестве датчика температуры, добавляя функцию коррекции, которая автоматически устраняет температурную ошибку, вносимую последовательным сопротивлением, обеспечивая большую гибкость в подключении термодиодов. Кроме того, они выполняют бета-компенсацию для устранения температурных ошибок, обусловленных низким и меняющимся коэффициентом передачи тока транзисторов, и устанавливают оптимальные настройки внешнего диодного/ транзисторного датчика.

Такая интегральная схема придает новое качество диодному переходу, используемому в качестве недорогого, но полезного датчика температуры, которому требуется значительная поддержка со стороны аналогового и цифрового интерфейса. Вместе с тем, диод намного проще в подключении, и при этом снижается нагрузка на системный процессор, поскольку отпадает необходимость в постоянной оценке показаний, проверке состояния тревоги и многом другом. Это еще один пример того, как интерфейсная микросхема может помочь по новому использовать старый датчик и сделать его совместимым с линиями ввода-вывода современных процессоров.

Ссылка

Материалы по теме