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

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

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

1. Application note. Signal conditioning for electrochemical sensors
2. Application note. Signal conditioning for NDIR sensor
3. Nanopower (580nA) rail-to-rail I/O 5V CMOS Op-Amp
4. Nanopower (900 nA) high accuracy (150 uV) 5V CMOS Op-Amp
5. Very high accuracy (5 uV) zero drift 5 V CMOS Op-Amp, single, GBP=400kHz
6. Rail-to-rail input/output 5V CMOS Op-Amps, micro-power (29uA), GBP=420kHz, dual
7. High accuracy (Vio below 200uV) Micropower (10uA) 5V CMOS Op Amp, single, GBP 150kHz
8. High merit factor (1.15 MHz for 45 uA) CMOS op-amps
9. Very high accuracy (5 uV) zero drift 5 V CMOS Op-Amps, quad, GBP=400kHz