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字节和开关(第2部分)

杰森萨赫斯 2011年5月7日 8评论

part 1 我们谈到了使用MOSFET进行电源开关。这是一个不同的电路,也使用MOSFET,这次作为信号的开关:

热敏电阻测量电路

我们的热敏电阻rth位于组件中的某个地方,连接到电路板。这充当了温度变化的可变电阻。如果我们在分压器中使用它,则分压器的中点具有取决于温度的电压。电阻器R3和R4形成了我们的参考电阻;当P沟道MOSFET开关Q1关闭时,参考电阻是R3,当Q1接通时,参考电阻是R3和R4的并联组合。微控制器可以使用数字输出(引脚标记增益)打开和关闭Q1。电阻R1用于在重置微控制器时保持Q1。电容器C1用作具有R2的低通滤波器的一部分,其在热敏电阻连接器上的浪涌电压的情况下也用作电流限制电阻。 OP-AMP缓冲滤波电压并将其馈送到模数转换器(ADC)输入中。

让我们谈谈组件值。假设这由单个AA单元提供供电,电源电压VDD在1.2和1.5V之间。该范围的低端是有源器件的挑战,但是仍有仍然在这种低电压下工作的组件。对于Q1,我们可以使用一个 Vishay Si1499dh.,其在1.2V栅极电压下为0.42欧姆的RDSON指定。对于微控制器,有一些选择;有点像 TI的MSP430系列Silabs C8051系列 have 零件可以耗尽至0.9V电源电压,而其他部件则喜欢 Atmel的Attiny43U. 有一个集成的升压转换器,可以在内部创建足够的电压以运行该部件。而对于OP-AMPS,线性技术有 LT1635 在半导体上耗尽1.2V,销售了 NCS2001 这是0.9V的操作; TouchStone指定 TS1001 低至0.65V!

我在使用热敏电阻上工作的设计通常使用NTC热敏电阻,这具有随着温度的增加而降低的电阻,使得 质量热敏电阻的Z曲线热敏电阻例如,具有从+ 25℃至-25℃增加13倍的电阻,并且从+ 25℃达到+ 75℃的倍数减少。这种宽的动态范围使得难以在大范围内感测温度,因此该电路具有增益开关。使用100k热敏电阻(100k处为+ 25°C),我可以选择R3 = 249k和R4 = 49.9k(适用于249k或41.6k = 249k || 49.9k的可切换电阻。 重要的思想是通过使参考电阻与热敏电阻在感兴趣范围内的参考电阻来最大化信号摆动;我会在低温下选择高阻抗范围(仅限R3),最大分辨率约为+ 5°C,低阻抗范围(R3和R4)在较高温度下,最大分辨率约为+ 47°C。 R3和R4都应精确或更好地为1%。

对于低通滤波器,R2 = 100K和C1 = 0.1UF为我们提供了10毫秒的滤波时间常数。使用一个体面的CMOS OP-AMP,输入偏置电流足够低,以至于R2的相对高值不会导致显着的错误。 (否则,适当的事情在运算放大器的反馈路径中放置相同的电阻,使得相同的偏置电流会导致相同的电压降。)

最后,R1并不是太关键并且可以是1米,以最大限度地减少功耗。

伟大,对吗?

好吧,这里有一个问题。我们从开关Q1中询问很多。我们希望它是一个很好的短路,当它开启时,我们希望它是一个良好的开路电路。 Si1499DH的导通电阻是0.42欧姆的最坏情况,这是串联电阻R4的小部分,因此很好。但是当Q1关闭时,开关看起来像什么?

低栅极电压下的MOSFET看起来像恒定电流槽,其中电流是栅极电压和温度和器件变化的函数。看看“零栅极电压漏极电流”下的数据表向我们展示了当我们将栅极和源拉动时可以流动的最坏情况电流。 SI1499DH指定在25°C的最大值,最大值为55°C。这非常典型的MOSFET制造商;您经常会看到1ua,10ua或25ua等数字。对于一个项目,我设法在零栅极电压下找到0.1ua最大电流指定的几个部分,但在那里没有许多。这是一个寄生漏电流:我们想要零电流,但我们必须居住在规格上的一些不良电流。

在任何情况下,让我们假设我们可以在25°C的受控环境中运行我们的电路(在热或寒冷的位置的其他地方使用我们的热敏电阻测量温度)所以我们获得1ua最大泄漏 - 如果我们的电路耗尽,则得到1ua的最大泄漏而不是10ua在炎热的一天,55°C汽车。如果我们的热敏电阻测量249k(约5°C),并且我们有上拉r3,则净平行阻抗为125k,因此泄漏导致我们感测电压的0.125V误差。哎呀!好多啊!我们无法校准它:漏电流可能为0,它可能是0.1ua,它可能是1ua,它可能会随着时间而变化......我们不知道,我们所知道的一切都是我们必须住的最多1UA漏电流。

零栅极电压漏电流是MOSFET的通常忽略问题之一,防止它们是完美的开关。在低功耗或高阻抗模拟电路中,它通常产生不可接受的错误。

那么我们能做些什么呢?

一种解决方案是使用双极晶体管。关闭时,大多数双极晶体管在低纳米泵范围内具有漏电流。使用双极晶体管作为模拟开关的唯一问题是它们无法保证零电压;您正在查看用于饱和NPN或PNP晶体管的集电极 - 发射极电压,通常在50mV - 200mV范围内。 (另一方面,MOSFET在接通时看起来像电阻,并且可以在低电流情况下达到微伏的状态电压。)

另一种解决方案是使用专用模拟开关IC。无处不在的HC4051 / 4052/4053/4066系列非常便宜 - 但它们都有约1uA的泄漏规格,这与我们的MOSFET一样糟糕。有一些模拟开关IC具有较低的指定电流。 Maxim卖A. MAX4066. (1na max泄漏),Intersil有他们的 ISL54000 系列(20na在25°C,温度范围内300°C),并且Fairchild具有几种不同的开关,如 FSA4157 (温度最大泄漏)。艰难的部分在这里找到了一种适用于电压范围的模拟开关IC。其中大多数需要至少1.8V电源,不可用。找到一个工作到1.2V的一个,我们有很少的选择。这 在 tersil ISL43L110 规格为1.1V;其泄漏电流在25°C,4.5V电源,200NA最大35°C的情况下,高温为4.5V电源,3.3V电源的温度典型。 Intersil的ISL43L系列是我唯一能找到在这种低压下工作的人;最近的是NXP的NX3L系列(例如, NX3L4357 )在85°C下最大约50na漏电流最大。

哇!运行一款单机电池的电路很难!这就是为什么耗尽一个AA细胞的大多数产品应该使用碱性电池,标称电压为1.5V,而不是镍金属氢化物(NiMH),标称电压为约1.2V。

除了低压设计的挑战之外,泄漏电流的任何速率都是在低功率高阻抗电路中使用MOSFET的主要原因。



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评论 jkvasan. 2011年5月8日
这是从实践实际思维中讲的真正好东西。
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评论 cypherpunks. 2012年4月8日
如果您被允许使用两个:保护!有一个简单的解决方案 在R4的顶部和OP-AMP的输出之间,添加连接到同一个栅极驱动器的N沟道Q2。 与求和节点相同的电压,因此当增益引脚高并且Q2接通时,漏电流流过它。 当该电压靠近顶部导轨时,显然Q2几乎没有,但这没关系,只要它通过 更多的 current than Q1. (The usually-omitted Vds-dependent term in subthreshold conduction is (1-exp(-Vds/Vt)), where Vt = kT/q = 25 mV. This is pretty much "1" when Vds > 100 mV, but does eventually taper off at low voltages.) 这需要仔细的部分选择和指定不良的亚阈值行为;使用SPDT模拟开关会非常简化事物。
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评论 Infiguna. 2012年9月25日
您能否请检查网页中的图像中的链接吗?,它们不会出现,我迫切需要来自博客的信息。
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评论 JMS_NH. 2012年9月25日
哪个链接?只有1个图像显示,对我来说看起来很好
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评论 er572015年6月28日
第一个句子,URL后面“第1部分”有错误的域名,并产生“没有文章发现”......像那样的第一个混音 http://www.dianjingline.icu/showarticle/91.php,也许可以开发一些简单的脚本来检查您在文章中使用的网址吗?
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评论 JMS_NH. 2015年6月28日
修正,谢谢。
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评论 克里 2019年3月28日

你好,

我有两个问题:

1.我无法从文章中看到图片。我在几个没有成功的Web浏览器中尝试过。问题可能是什么?

2. PDF选项是否可用,因为它是第1部分的?

谢谢

克里斯

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评论 Gillhern321. 2019年5月6日

杰森,我认为他意味着这个链接(质量热敏电阻的Z曲线热敏电阻)PDF链接为单击时提供404错误页面。 :)。

我真的很喜欢你们两个文章,我们在IoT中创造了很多这些电路现在正在进行,使用BLE,Smart,Ant和Bluetooth Mesh,配对802.x实现。这与现在正在市场生产的内容(低能量互动)直接相关。做得好。

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