| von Dr. Marko Mailand

Ratiometrisches Messprinzip

Die Trennung der Betriebsspannungs-Domainen für Interface- und Signalverarbeitung ermöglicht einen neuen Grad an Energieeffizienz für hochgenaue intelligente Sensoren. Zur Beseitigung von Störeinflüssen auf der Spannungsversorgung wird das ratiometrische Messprinzip in Sensorinterface- und Sensor-Signal-Conditioning-ICs von ZMDI (beispielsweise ZSSC3016 und ZSSC3017) eingesetzt, um quasi rauschfreie und betriebsspannungsstörfeste Applikationen mit einer Nutzsignalauflösung von effektiven 16 Bit zu ermöglichen.

Heutige Marktanforderungen an Sensoren und Sensorsysteme erwarten steigende Leistungsparameter bei sinkenden Gesamtkosten: Modulgröße, Bedienkomplexität, Preis und Energieverbrauch. Die Ermittlung von Umgebungseigenschaften, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Gewicht, Durchfluss, Drehmoment, Vibration, Tension, Dehnung, etc. führen dabei sowohl im Consumer-Bereich als auch im Industriesektor zu stetig wachsenden Ansprüchen an die Empfindlichkeit bzw. Auflösung, Störfreiheit und Genauigkeit. In diesem Zusammenhang hat sich das Systemkonzept des intelligenten Sensors (smart sensor) mit direkter Busanbindung in den letzten Jahren immer mehr etabliert. Intelligente Sensoren setzen sich dabei prinzipiell aus den Funktionselementen: Sensor, analoge Signalaufbereitung (zum Beispiel Verstärkung, Offsetkorrektur) Analog-Digital-Wandlung, digitale Signalkorrektur und digitale Auswertung zusammen.

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ZMDI

Während insbesondere für hochgenaue Sensorapplikationen der smarte bzw. intelligente Sensor de facto als Standardkonzept für Neuerscheinungen am Markt gilt, existiert noch immer eine sehr unterschiedliche Leistungsbandbreite, was die eigentliche Signalaufbereitung und -verarbeitung und insbesondere die Leistungsaufnahme angeht. So ist es beim Übergang zu kleineren Technologien immer noch und immer wieder eine Hauptaufgabe, alle schaltungsspezifischen, analogen Störeinflüsse zu eliminieren, zu kompensieren oder zumindest zu minimieren. Anderseits sind bewährte Konzepte und Lösungen zu verändern, um den Forderungen nach Energieeffizienz nachzukommen. Häufig führt dies zu konträren Lösungskonzepten.

Nichtsdestotrotz existieren Schaltungstopologien und -ansätze die technologieunabhängig ihre Gültigkeit und insbesondere ihre Wirksamkeit für die Realisierung von hochauflösenden, energieeffizienten, rauscharmen, intelligenten Sensoren behalten.

Einfacher Ansatz – Große Wirkung

Ein vielfach eingesetztes Konzept zur Beseitigung von Störeinflüssen auf der Spannungsversorgung ist das ratiometrische Messprinzip. Ratiometrische Messungen zeichnen sich dadurch aus, dass das Messergebnis als Quotient zweier Größen gesucht ist, welches typischerweise von Störungen überlagert ist. Dabei ist jedoch ausschlaggebend, dass die Störungsüberlagerung die eigentliche Messung nicht beeinflusst. Eine ratiometrische Größe ist zum Beispiel unabhängig von der Versorgungsspannung.

Bild 1 zeigt am einfachen Beispiel, dass das Verhältnis der gemessenen Spannungen V1 und V2 an den Widerständen R1 und R2 unabhängig vom Absolutwert der Betriebsspannung VDD ist. Somit kann bei bekanntem Wert für R1 durch Messung des Spannungsverhältnisses auf das Widerstandsverhältnis bzw. auf R2 geschlossen werden, wobei gilt: R2 = R1 x V2 / V1.

Genau dieses Grundprinzip wird in Sensorinterface- und Sensor-Signal-Conditioning Standardschaltkreisen (SSC) von ZMDI (beispielsweise ZSSC3016 und ZSSC3017) eingesetzt, um quasi rauschfreie und betriebsspannungs-störfeste Applikationen mit einer Nutzsignalauflösung von effektiven 16 Bit zu ermöglichen. Als Erweiterung des ratiometrischen Grundprinzips werden hierbei die IC-internen Referenzspannungen beispielsweise für den Verstärker und den Analog-Digital-Wandler (ADC) direkt von der entsprechenden Versorgungsspannung VDDB des resistiven Brücken-Sensorelements abgeleitet (Bild 2). In Folge dessen wirken sich Störungen auf VDDB nicht auf das Verhältnis der Sensorspannung VIN zur Eingangsspannung am AD-Wandler aus. Dies führt wiederum dazu, dass bei verbleibenden Schwankungen auf der Versorgungsspannung VDDB zwar die IC-internen Absolutpegel variieren, jedoch keinerlei Schwankungen im Wandlungsergebnis auftreten.

Für die neueste SSC-Generation von ZMDI wurde dieses Konzept erweitert. Mittels leistungsarmer Betriebspannungsunterdrückung durch einen geeigneten Spannungsregler ist es mit dem ZSSC3016 möglich, low-power Sensorsysteme in stark gestörten Applikationsumgebungen einsetzen zu können, zum Beispiel in Smart-Phones. Der Spannungsregler verringert dabei dynamische Verluste an parasitären Kapazitäten im Signalpfad und ermöglicht einerseits 16-Bit-genaue Systeme bei Betriebsspannungen bis 1,8 V unter gleichzeitiger Ausnutzung eines ratiometrischen Signalpfades.

Energieeffizienz durch clevere Spannungsversorgung

Der Betrieb bei niedrigen Betriebsspannungen bis hinunter zu 1,8 V bei gleichzeitiger IC-Stromaufnahme von höchstens 1 mA sind Grundansätze, die bei aktuellen SSC-Neuentwicklungen von ZMDI, wie dem ZSSC3016, verfolgt werden. Um darüber hinaus energieeffiziente Sensorapplikationen zu ermöglichen, bieten ZMDI-SSCs verschiedene Operationsmodi, wobei insbesondere der Wake-Up- oder Sleep-Mode den Gesamtenergieverbrauch minimiert. Dabei ist der Schaltkreis in einem Quasi-Power-Down-Zustand (Stromaufnahme weniger als 250 nA), aus dem er innerhalb weniger Sekundenbruchteile per Bus-Kommando oder passende Schaltkreis-ID aufgeweckt werden kann, worauf eine komplette Sensormessung durchgeführt wird und der IC unmittelbar wieder in den Ruhezustand zurückkehrt. Je nach Interface-Protokoll kann das Messergebnis auch im Ruhezustand abgerufen werden.

Mit dem in Bild 2 realisierten Systemkonzept wird unter Nutzung so genannter Low-Dropout-Regler (LDO) eine weitgehend stabile, sehr niedrige Betriebsspannung (VDDB = 1,7 V) erzeugt. Der gesamte analog-digitale Sensormesspfad wird auf dieser niedrigen Spannung betrieben. Da, nicht zuletzt aufgrund des ratiometrischen Ansatzes, auch das eigentlich Brückensensorelement von VDDB gespeist wird, kann so die Gesamtstromaufnahme des Intelligenten Sensors minimiert werden.

Zusätzlich wurde zum Beispiel im ZSSC3016 der LDO so ausgelegt, dass er eine stabil-geringe Versorgungsspannung, VDDB auch unter extremen Bedingungen erzeugen kann, wie sie in mobilen Endgeräten zu finden sind; eine Betriebsspannungs-Störunterdrückung von bis 90 dB ohne die Notwendigkeit zusätzlicher, externer Komponenten steht hier zur Verfügung.

Analoge Korrektur ist nur die Hälfte

Analoge Leistungsparameter sind für die letztliche Sensormesswertqualität sehr wichtig; doch die digitale Signalkorrekturfähigkeit ist ebenfalls von wesentlicher Bedeutung. Typischerweise besitzen Sensorsysteme eine inhärente Nichtlinearität, welche sich sowohl aus der eigentlichen Messgröße ergibt (zum Beispiel Höhenluftdruck, hydrodynamischer Druck und Torsionsschwingung) als auch aus der Sensor-Charakteristik selbst. Zusätzlich besteht nicht nur bei resistiven Sensoren häufig ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Sensorsignal und Umgebungs- bzw. Sensorsystemtemperatur. Um daraus resultierende Messwertverläufe zu linearisieren und dadurch für die nachfolgende Auswertung optimal nutzbar zu machen, beinhaltet der ZSSC3016 beispielsweise eine speziell angepasste, digitale Verarbeitungseinheit, welche bis zu 7 verschiedene 18 Bit genaue Kalibrierkoeffizienten berücksichtigen kann. Die entsprechend notwendigen Kalibrierpunkte sind für jedes Sensor-IC-Paar spezifisch und müssen jeweils separat, in der Regel während der Inbetriebnahme des Sensorsystems, ermittelt werden. Dazu unterstützten die ZMDI-SSCs derartige Korrekturmethoden durch zusätzlich integrierte Temperatursensoren, die wie im ZSSC3016 mit einer rauschfreien Auflösung von unter 0,005 K/LSB im Bereich -40…+85 °C eine eigene Klasse für sich bilden könnten.

Darüber hinaus können schaltkreisinterne Signaloffsets, Voff über eine so genannte Auto-Zero-Messung (AZ) bestimmt und letztlich das eigentlich gewünschte Sensorsignal damit korrigiert werden. Dafür wird direkt am IC-Eingang der Signalpfad kurzgeschlossen. Zusätzlich zur Signalkorrektur ermöglicht die AZ-Messung die inhärente Applikations-Diagnose zur Überwachung von zum Beispiel Systemstabilität und Driftverhalten.

Mit diesen Methodiken lassen sich nichtlineare und temperaturabhängige Messgrößen und Sensorsignale optimal für die eigentliche, auf die Messwertermittlung folgende Informationsverarbeitung vorbereiten.

Standard-Features

Bestehende und zukünftige Sensorinterface- und SSC-Schaltkreise von ZMDI bieten neben den erläuterten Eigenschaften unter anderem industriestandard-konforme und inhaltsflexible Digitalschnittstellen, wie I2C (bis 3,4 MHz) oder SPI (bis 20 MHz). Als Basis-IP für den ADC wird eine in Auflösung und Segmentierung programmierbare Charge-Balancing-Architektur eingesetzt. Hier kann zwischen reiner MSB-Wandlung (Most Significant Bit) und kombinierter MSB/LSB-Wandlung (LSB, Least Significant Bit) gewählt werden, wobei ein anwendungsspezifisches Optimum zwischen Wandlungsgeschwindigkeit und weiterer Rauschreduktion des Messergebnisses einstellbar ist. Komplett SSC-korrigierte, 16-Bit-aufgelöste Wandlungsergebnisse können mit einer Rate von bis zu 175 s-1 erzeugt werden. Mittels feinstufig programmierbarer, analoger Vorverstärkung und anpassbarer ADC-Eingangsoffset-Verschiebung lassen sich ICs, der ZSSC31016 und andere auf verschiedenste Signalverläufe von Umgebungssignal sowie Sensorelementcharakteristiken (insbesonders Offset, Empfindlichkeit und Messbereich) und somit für nahezu jede Messaufgabe anpassen.

Letztlich bietet ZMDI dem Markt für Standard-ICs mit seinen 16-Bit-Schaltkreisen die Möglichkeit, größenoptimierte und energieeffiziente, intelligente Sensoren mit Leistungsparametern zu realisieren, die bisher nur von ASIC-basierten oder Einzelchiplösungen bekannt waren.

Dr. Marko Mailand

: Dr. Marko Mailand ist Projektmanager für Mixed-Signal-IC-Entwicklung im Bereich Medical, Consumer und Industrial bei ZMDI in Dresden.

(jj)

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