Аналоговые компоненты STMicroelectronics для датчиков сиSTем умного дома
12 ноября 2021
Александр Калачев (г. Барнаул)
Прецизионные ОУ и усилители с малым дрейфом нуля и низким уровня шума, представленные сериями TSU10x, TSU11x, TSV62x, TSV522 и TSZ12x производства STMicroelectronics, обладают превосходными параметрами, необходимыми для создания точных и компактных датчиков для применений в различных сферах, таких как умный дом, промышленность и медицина.
Цифровизация и диджитализация – неотъемлемая часть сегодняшнего мира. Однако в большинстве случаев перед цифровым периодом технологии «теплый и ламповый» аналоговый этап – так называемый AFE (Analog Front End), подготавливающий непрерывные величины аналогового реального мира к цифровой обработке. От стабильной работы аналоговых компонентов зависит дальнейшая судьба сигнала и реакции систем.
Одно из самых опасных и нежелательных происшествий на территории или в помещении – пожар. Именно поэтому своевременное обнаружения признаков возгорания, а еще лучше – признаков, предшествующих возгоранию, является одной из наиболее важных задач при проектировании пожарной сигнализации.
Рынок пожарно-охранных систем вот уже несколько лет демонстрирует положительную динамику роста. В первом приближении его можно разбить на три больших сектора (рисунок 1):

Рис. 1. Основные секторы рынка пожарно-охранных систем
Основные типы охранно-пожарных систем:
- Обычные системы, к которым относятся автономные, независимые узлы, сигнализирующие устройства, располагаемые в месте обнаружения очага (типично для частных домов на одну семью);
- Адресуемые распределенные системы, такие как взаимосвязанные адресные узлы, которые подключаются к централизованной панели управления. В случае возгорания такая панель отправляет массовые уведомления через узлы сигнализации.
- Интерфейсы безопасности зданий. Системы безопасности могут взаимодействовать с коммерческими системами управления зданиями для управления воздушными потоками, освещением, строительными процессами и прочим.
- Системы питания:
- в коммерческих зданиях представлены сетью 120/240 В и резервной батареей + генератором;
- в жилых помещениях представлены батарейным питанием.
Пример комплексного подхода к организации систем пожарно-охранного мониторинга в здании представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Пример комплексного подхода к организации систем пожарно-охранного мониторинга в здании
Основные типовые узлы систем:
- панели управления;
- детекторы:
- детекторные технологии;
- устройства обнаружения.
- устройства уведомления:
- точки ручного вызова;
- динамики и сирены;
- стробоскопы;
- системы громкой связи;
- уведомления по телефону/ems.
Признаками возгорания могут быть:
- появление дыма;
- изменение температуры;
- изменение состава воздуха (газового состава, влажности);
- изменение характера освещенности помещения/пространства.
Обнаружение признаков возможно несколькими методами:
- Оптический метод, при котором дым блокирует луч между ИК-светодиодом и фотодиодным датчиком. При обнаружении возгорания с помощью оптического метода анализируются два или более путей прохождения света. В случае с дымом отслеживается рассеянная составляющая излучения видимого или ближнего инфракрасного диапазона. В случае с детектированием газов (CO2, CO, CH4 и прочих) анализу подвергнется излучение среднего инфракрасного диапазона.
- Лучевой метод, посредством которого сравнивается чувствительность к ультрафиолетовому и инфракрасному излучениям от разных узлов приемника. Данная технология способна отличать реальный дым от других помех.
- Метод отражения, при котором обнаруживается дым, блокирующий оптический свет от отражателя, расположенного в том же устройстве.
- Метод ионизации, при котором дым блокирует ток, протекающий между двумя электрически заряженными пластинами.
- Детектирование с механическими элементами по типу вдыхания, во время которого воздух втягивается в небольшую камеру, частицы фильтруются и направляются в камеру лазерного обнаружения. Данный метод обладает высокой чувствительностью и позволяет обнаружить дым еще до того, как он станет видимым глазом.
Обнаружение возгорания также возможно на основе изменения состава воздуха – с помощью ИК-, акустических и каталитических/электрохимических датчиков.
Типовые и рекомендуемые структуры датчиков и подсистем пожарной сигнализации
Схемы датчиков реализуются на операционных усилителях с анализом сигнала при помощи микроконтроллеров или же с простым пороговым выходом. Наиболее удобный путь реализации датчиков и сенсорных систем – комбинировать в одном устройстве аналоговую и цифровую части. Аналоговая часть отвечает за предварительную обработку сигналов, цифровая обеспечивает взаимодействие с системами следующего уровня (рисунок 3).

Рис. 3. Типовая структура детектора в составе охранно-пожарной сигнализации
От аналоговой части датчика требуется возможность работы с низкими уровнями сигналов первичных датчиков (фотодиодов, термопар), малые значения температурного и временного дрейфа, низкий уровень собственных шумов, и малое собственное энергопотребление, особенно актуальное для систем, работающих от автономных источников питания.
Электрохимические датчики являются одними из самых популярных благодаря их малому энергопотреблению и наличию линейного выхода. Детекторами, входящими в состав электрохимических датчиков, наиболее часто контролируются такие газы, как кислород (O2), монооксид углерода (CO), сероводород (H2S) и диоксид азота (NO2). Однако многие другие газы также могут контролироваться с помощью электрохимических датчиков.
Типичный электрохимический газовый датчик содержит газовую мембрану и два или три электрода, контактирующих с электролитом. Датчик непроницаем для электролита. Газ поступает в датчик через газовую мембрану, которая ограничивает скорость диффузии газа (следовательно, влияет на чувствительность датчика). Когда газ достигает рабочего электрода, происходит химическая реакция окисления или восстановления, в зависимости от газа. Типовые схемы включения электрохимических датчиков представления на рисунке 4.
Для корректной работы электрохимического датчика и усиления генерируемого им сигнала (тока), пропорционального концентрации измеряемого газа, требуются операционные усилители. Оптимальным выбором будет операционный усилитель, выполненный по технологии КМОП, обладающий малым энергопотреблением и низким значением напряжения смещения.

Рис. 4. Типовые схемы включения электрохимических датчиков
Еще один тип датчика обнаружения газов – недисперсионный инфракрасный датчики (Nondispersive Infrared sensor, NDIR), представляющий собой достаточно экономичное решение для измерения большого количества различных газов в инфракрасном диапазоне. Данный метод, благодаря своей надежности и простоте использования, в основном используется для обнаружения диоксида углерода и углеводородов (HC).
Приложения, использующие NDIR:
- автомобильные датчики для измерения выбросов газов;
- промышленные датчики для обнаружения утечки газа;
- потребительские датчики для контроля качества воздуха;
- медицинские датчики для наблюдения за пациентами во время хирургического вмешательства.
Принцип работы NDIR-датчиков основан на сравнении поглощения инфракрасного излучения в различных спектральных полосах. Обычно используют два канала:
- опорный, в котором заданный газ практически не поглощается;
- активный, в котором поглощение ИК-излучения газом велико (рисунок 5).

Рис. 5. Демонстрация принципа работы NDIR-датчика
Операционные усилители STMicroelectronics – «короли» аналогового тракта
Для охранно-пожарных датчиков и систем безопасности компания STMicroelectronics рекомендует серии прецизионных малопотребляющих малошумящих усилителей (таблица 1):
- TSU101/2/4;
- TSU111/2/4;
- TSV622/3/4/5;
- TSV522;
- TSZ121/2/4.
Таблица 1. Характеристики операционных усилителей STMicroelectronics
Серия | Входной ток Iib макс., пА | Vio макс., мВ | Шум 0.1 to 10Hz, мкВpp | Минимальное напряжение питания Vcc, В | GBP, кГц | Ток потребления Icc, мкА |
---|---|---|---|---|---|---|
TSU111 | 10 | 0,15 | 3,7 | 1,5 | 11 | 0,9 |
TSU101 TSU102 TSU104 | 5 | 3 | 8,6 | 1,5 | 8 | 0,6 |
TSV711 TSV712 TSV714 | 10 | 0,2 | 10 | 1,5 | 120 | 9 |
TSZ121 TSZ122 TSZ124 | 200 | 0,005 | 0,8 | 1,8 | 400 | 29 |
TSV731 TSV732 TSV734 | 10 | 0,2 | 7 | 1,5 | 850 | 59 |
Операционные усилители TSU101, TSU102 и TSU104 обеспечивают сверхнизкое энергопотребление 580 nA типичное и 750 nA максимальное на канал при питании от 1,8 В. В сочетании с диапазоном напряжения питания от 1,5 В до 5,5 Полоса пропускания 8 кГц.
Серии TSU111, TSU112 и TSU114 обеспечивают энергопотребление на канал 900 нА, максимум 1,2 мкА при питании от 3,3 В. В сочетании с диапазоном напряжения питания 1,5…5,5 В эти функции позволяют TSU11x эффективно питаться от литиевой батареи монетного типа или от регулируемого напряжения в маломощных приложениях. Серии обладают высокой точностью 150 мкВ макс. Полоса пропускания составляет 11,5 кГц.
Сверхмалое энергопотребление позволяет сериям TSU10x и TSU11х длительно работать с высокой эффективностью даже от литиевой батареи монетного типа. Ввиду относительно узкой полосы пропускания данные операционные усилители ориентированы на работу с низкочастотными сигналами, такими как обнаружение речи, работа с пироэлектрическими или емкостными датчиками движения.
Вариантом операционного усилителя, соответствующим большинству требований для электрохимических сенсоров, можно назвать TSU111. Если требуется более высокая точность, стоит рассмотреть вариант с усилителем TSV711 прецизионных приложений – TSZ121 (29 мкА при 3,3 В, 5 мкВ макс.). Для устройств с высокими требованиями по энергопотреблению, например, автономных датчиков с батарейным питанием, можно рассматривать серию TSU10x.
Опробовать возможности данных операционных усилителей для работы с электрохимическими сенсорами можно с помощью оценочного комплекта P-NUCLEO-IKA02A1.
Оценочный комплект P-NUCLEO-IKA02A1 позволяет работать с электрохимическими датчиками на различные газы. Он состоит из аналоговой платы STM32 Nucleo Gas Expansion Board с разъемом под сменные датчики и платы STM32 Nucleo – NUCLEO-L053R8 (рисунок 6).
Аналоговая плата содержит пару операционных усилителей TSU111 и прецизионный аналоговый датчик температуры STLM20 для температурной компенсации показаний датчиков.

Рис. 6. Оценочный комплект P-NUCLEO-IKA02A1
Двух- и четырехканальные операционные усилители TSV622, TSV622A, TSV623, TSV623A, TSV624, TSV624A, TSV625 и TSV625A обеспечивают полосу пропускания до 420 КГц, имеют малое напряжение питания, потребление всего порядка 29 мкА, имеют выходной сигнал от уровня до уровня. Серия TSV62x/TSV62xA отличается превосходным соотношением скорости и потребляемой мощности. Эти операционные усилители обладают стабильным коэффициентом усиления при емкостных нагрузках до 100 пФ. Они также имеют сверхмалый входной ток смещения и малое входное напряжение смещения. Двойной ОУ TSV623 и четырехканальный ОУ TSV625 имеют два выключающих контакта для снижения энергопотребления.
Операционные усилители STMicroelectronics обладают отличными параметрами, подходящими для многих применений (таблица 2).
Таблица 2. Ключевые преимущества операционных усилителей STMicroelectronics
Наименование | Характеристики |
---|---|
TSU111 |
|
TSU101 TSU102 TSU104 |
|
TSV711 TSV712 TSV714 |
|
TSZ121 TSZ122 TSZ124 |
|
Эти функции делают семейство TSV62x/TSV62xA идеальным для сенсорных интерфейсов, портативных приложений с батарейным питанием и систем активной фильтрации.
Операционные усилители серий TSV52x и TSV52xA обеспечивают работу с малым напряжением питания и выходным сигналом от нуля до напряжения питания.
Выпускаются в одноканальном (TSV521), двухканальном (TSV522) и четырехканальном (TSV524) варианте исполнения. Расположение выводов совместимо с отраслевыми стандартами. Полоса пропускания данной серии составляет 1,15 МГц при потреблении всего 45 мкА (напряжение питания – 5 В).
Данные ОУ идеальны для интерфейсов датчиков, батарей и портативных приложений. Широкий диапазон температур и высокая устойчивость к ЭСД облегчают их использование даже в жестких автомобильных условиях. В контексте систем умного пространства данная серия может применяться в аналоговых трактах ультразвуковых датчиков присутствия/приближения и аудиодатчиках, обнаруживающих прорыв, протечку, присутствие человека/животных.
Высокоточные операционные усилители серии TSZ12x обеспечивают очень малое входное напряжение смещения с практически нулевым дрейфом. Серия TSZ12x обеспечивает сигнальный вход/выход в диапазоне от 0 В до напряжения питания (rail-to-rail), имеет отличное соотношение скорости и потребляемой мощности, полоса пропускания составляет до 400 кГц при потреблении менее 40 мкА и питании 5 В. Устройства также имеют сверхмалый входной ток смещения, у них практически отсутствует «розовый шум» (шум 1/f), что критически важно при обработке сигналов первичных датчиков. Данные операционные усилители практически идеальны для построения аналогового тракта датчиков состава воздуха, обнаруживающих наличие/концентрацию тех или иных газов.
Серии двойных и четырехъядерных операционных усилителей TSV63x и TSV63xA обеспечивают работу при низком напряжении питания и уровне входных/выходных напряжений «от питания до питания». Это семейство отличается превосходным соотношением скорости и потребляемой мощности. Ширина полосы единичного усиления данных операционных усилителей составляет 880 кГц при потреблении всего 60 мкА (при напряжении питания 5 В). Они имеют сверхмалый входной ток смещения. Усилители TSV633/TSV635 имеют режим пониженного энергопотребления (их можно выключить).
Пример схемотехники NDIR-датчика представлен на рисунке 7. В основном сигнальном тракте многоканальный операционный усилитель TSZ124 имеет низкий дрейф нуля, и что более важно – низкий уровень «розового» шума», что существенно снижает вероятность возникновения ложных сигналов и повышает точность датчика в целом. Источник опорного напряжения и буферный усилитель термистора выполнены на базе TSV632.

Рис. 7. Двухкаскадный NDIR-датчик газа
Ассортимент прецизионных операционных усилителей и усилителей с малым дрейфом нуля и низким уровня шума, представленных в номенклатуре STMicroelectronics, достаточно разнообразен. Среди них можно подобрать модели с необходимыми параметрами, такими как:
- малый дрейф;
- низкий уровень шумов;
- малое потребление и так далее.
Возможны и комбинации этих параметров даже в рамках отдельной серии. Приятным бонусом являются многоканальные (2/4) варианты, что существенно уменьшает габариты конечных устройств, а также способствует большей идентичности параметров операционных усилителей по сравнению с одиночными экземплярами.
Литература
- Application note. Signal conditioning for electrochemical sensors
- Application note. Signal conditioning for NDIR sensor
- Nanopower (580nA) rail-to-rail I/O 5V CMOS Op-Amp
- Nanopower (900 nA) high accuracy (150 uV) 5V CMOS Op-Amp
- Very high accuracy (5 uV) zero drift 5 V CMOS Op-Amp, single, GBP=400kHz
- Rail-to-rail input/output 5V CMOS Op-Amps, micro-power (29uA), GBP=420kHz, dual
- High accuracy (Vio below 200uV) Micropower (10uA) 5V CMOS Op Amp, single, GBP 150kHz
- High merit factor (1.15 MHz for 45 uA) CMOS op-amps
- Very high accuracy (5 uV) zero drift 5 V CMOS Op-Amps, quad, GBP=400kHz
Наши информационные каналы