Устройства со сверхнизким энергопотреблением – Цифровая техника – ЧАСТЬ 1

June 5, 2015 by admin Комментировать »

В последнее десятилетие КМОП-ИМС успешно вытесняют из радиотехнических схем микросхемы ТТЛ, причем настолько успешно, что сейчас (2002) практически все публикуемые журналами схемы устройств собраны на основе КМОП-микросхем. Эта «революция» стала возможной только благодаря тому, что КМОП-структуры, в отличие от большинства (если не всех) остальных, в статическом режиме потребляют крайне малый ток, определяемый лишь токами утечки из-за неидеальной изоляции отдельных элементов и шин. Это преимущество открыло перед разработчиками схем новую дорогу, которая раньше существовала только в сказках под названием «предсказание развития электроники в будущем». Но с начала 80-х годов эта сказка стала реальностью.

Что же дает нам пониженное энергопотребление? Первое и самое главное: можно забыть о том, что батарейки (аккумуляторы) «умеют» разряжаться. Во включенном устройстве на КМОП-микросхемах, находящемся в статическом («спящем») режиме, выключатель питания не нужен; даже если устройство состоит из полсотни микросхем, оно в этом режиме потребляет столь малый ток, что его практически невозможно измерить обычными, широко распространенными приборами. А как такой ток учитывать, если его невозможно измерить? Вот его и не учитывают. Современные электронные наручные часы с кучей функций и сложным индикатором способны работать от маленькой батарейки ничтожной емкости более 1,5 года — даже в рабочем режиме они потребляют ток не более 2.4 мкА. Я уж не говорю про электрически стираемые ППЗУ, заряд на затворе которых сохраняется более 10 лет. Эти цифры уже давно стали фактом и перестали удивлять. Кстати, если бы первым «открыли» не биполярный транзистор, а полевой, вполне возможно, что биполярные транзисторы не были бы известны и до сих пор. Хотя это довольно спорное утверждение…

Еще одна, довольно «фантастическая» возможность — в качестве элементов питания (накопительных элементов — аналогов аккумуляторов) можно использовать… электролитические конденсаторы! Да, емкость конденсатора по сравнению с емкостью аккумулятора ничтожна (в миллионы раз меньше), но ведь ток утечки микросхем еще меньше.

У конденсатора, в отличие от аккумулятора, есть два преимущества: он способен работать практически с любым напряжением, не превышающим некоторое максимальное (у аккумулятора напряжение фиксированное), и он всегда, при любом напряжении на его обкладках, заряжен на все 100% своей емкости.

Недостатков у конденсатора тоже только два (на мой взгляд): у него довольно существенный ток утечки, из-за которого заряд даже на самом лучшем конденсаторе сохраняется не более пары месяцев (впрочем, аккумуляторы, особенно кислотные, разряжаются еще быстрее), а также очень небольшая емкость (в смысле запасенной мощности). Из-за этого недостатка конденсатора емкостью 1000 мкФ хватает для подпитки не очень сложной КМОПсхемы только на несколько недель. Впрочем, большие сроки чаще всего и не нужны, в противном случае параллельно конденсатору можно подключить какую-нибудь, даже очень сильно разряженную, батарейку на необходимое напряжение. У меня разряженная батарейка типа «Крона» сохраняет информацию в ОЗУ одной схемы, периодически и изредка включаемой в «динамический» режим, уже более двух лет, и за все это время никаких проблем с ним у меня не возникало. Недавно интереса ради измерил напряжение на этой батарейке. Оно составляло 9,26 В. А вот ток короткого замыкания оказался чуть меньше I мА — у «свежей» батарейки он более 100 мА. Выводы делайте сами, но менять батарейку я пока не буду.

Несмотря на то что КМОПмикросхемы предназначены специально для использования их в устройствах со сверхнизким энергопотреблением, схемы подобных устройств крайне редки и даже в таких «серьезных» радиолюбительских журналах, как «Радиомир». за год публикуется не более 2…10 схем. Парадокс… Неужели никого не волнует эта проблема?

При построении устройств с пониженным и сверхнизким в отдельные моменты времени энергопотреблением нужно соблюдать следующие правила (подразумевается, что какую-то часть схемы, например, ОЗУ отключать от источника питания ни в коем случае нельзя; в качестве «источника питания» используется электролитический конденсатор):

1.             По внешнему сигналу устройство должно как можно скорее переходить в «ждущий» режим (т. е. режим со сверхнизким энергопотреблением). Секунда раздумий сокращает время автономной работы на несколько суток.

2.             Все генераторы должны быть заторможены, и вообще вся схема должна находиться в статическом режиме.

3.             Все биполярные транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером, должны быть закрыты. Полевые транзисторы и биполярные, включенные по схеме с общим коллектором, могут быть открытыми, но при условии, что протекающий через них ток близок к нулю.

4.             На обоих выводах всех резисторов разность напряжений должна равняться нулю: только в таком случае протекающий через них ток, независимо от сопротивления, также равен нулю.

5.             Все элементы, потребляющие по какой-нибудь причине значительный ток (например, микросхемы ТТЛ), должны быть обесточены. Через выводы закрытого ключа, отключившего эти элементы, должен протекать ничтожный (близкий к нулю) ток.

6.             На всех входах, подключенных к резервному источнику питания микросхем, должны присутствовать некоторые логические уровни. Неопределенность уровня (вход остался «свободным») недопустима — у КМОП-микросхем в таком режиме резко повышается потребляемый ток. Выходы всех «работающих» микросхем, подключенные к внешним нагрузкам или к обесточенным микросхемам. должны быть или обнулены (если все устройство собрано по схеме «с общим минусом» — в этой книге рассматриваются только такие устройства), или, что еще лучше, переведены в Ζ-состояние.

7.             Микросхемы памяти нужно или обесточить (ПЗУ), или перевести в режим хранения сигналом по входу CS (ОЗУ). Но при этом нужно помнить, что все выходы большинства микросхем памяти, находящихся в таких режимах, переходят в Ζ-состояние. Если к этим выходам подключены входы других микросхем. подключенных к резервному источнику питания, то между ними и одной из шин питания (выбирается в зависимости от логики (алгоритма) работы устройства) нужно включить резисторы любого сопротивления. Так как входное сопротивление КМОПмикросхем и выходов, находящихся в Ζ-состоянии, практически бесконечно, то падение напряжения на выводах этого резистора равно нулю (см. п. 4). Как только выходы микросхемы выйдут из Ζ-состояния, они начнут закорачивать резистор и его влияние на работу схемы можно будет не учитывать. Но для этого его сопротивление должно быть больше 10 кОм.

8.             Диодные логические элементы использовать можно только с большой осторожностью: в «ждущем» режиме падение напряжения на выводах резистора должно всегда равняться нулю.

9.             Чем меньше микросхем подключено к резервному источнику питания, тем лучше. Но стремиться к этому изо всех сил не надо: иногда введение лишней микросхемы для «сглаживания острых углов» позволяет уменьшить ток потребления в десятки, а то и сотни раз.

И помните: все гениальное просто1

Рассмотрим для примера несколько схем, способных работать в режиме пониженного энергопотребления. Кстати, некоторые рассмотренные выше схемы (например, «Поле чудес») вполне соответствуют Деем девяти пунктам правил проектирования. Но в этих схемах никакую информацию сохранять не нужно, поэтому они и были описаны вместе с «обычными» схемами.

Для начала попробуем «придумать» схему логического пробника со звуковой индикацией. Требования к нему: питаться он должен через входные щупы непосредственно от проверяемой схемы, потребляя при этом ток не более 1 мА; реагировать должен на уровни лог. «I» и лог. «0» сигналами с разной частотой, излучаемых встроенным пьезокерамическим звуконзлучателем; на «никакой» уровень (т е. отключенный выход) реагировать он не должен. Кроме того, схема должна быть довольно проста, а сам он — малогабаритным. Работать пробник должен без всяких батареек или аккумуляторов.

Задача довольно сложная. Так как батарейки использовать нельзя, а пробник должен генерировать звуковой сигнал и в те моменты, когда на его входе присутствует уровень лог. «0» (т. е. когда входные щупы, через которые он питается, замкнуты), то ясно, что без резервного источника питания не обойтись. Используем в качестве этого «источника» электролитический конденсатор. Так как запасаемая конденсатором мощность ничтожна, то громкость звука должна быть как можно меньше, чтобы заряда «хватило» на большее время.

Так как на вход схемы, помимо уровня лог. «0», поступает и «единица», то имеет смысл этим уровнем (т. е. напряжением этого уровня) заряжать накопительный конденсатор. Для этого между входным щупом и шиной «+U», к которой подключен один из выводов конденсатора, включить диод. Так как максимальный потребляемый от проверяемой схемы ток не должен превышать 1 мА, а ток, втекающий в разряженный конденсатор, близок к бесконечности, то для ограничения его на входе схемы включен резистор сопротивлением J0 кОм. Его сопротивление можно уменьшить.

В качестве «черного ящика» можно использовать схему, изображенную на рис. 2.23, б. Мы уже встречались с этой схемой, когда говорили о двухтональных сиренах. Благодаря инвертору DD1.1 при любом входном уровне (лог. «1»или лог. «0») работает только один из генераторов. Но, к сожалению, эта схема не может определить Ζ-состояние выхода. В качестве диода, через который заряжается электролитический конденсатор, использованы входные защитные диоды логических элементов. Их там целых три штуки (по числу входов), поэтому бессмысленно припаивать четвертый снаружи.

Определить все три уровня можно, только если на входе пробника поставить специальный трехуровневый детектор, собранный на резисторах (рис. 2.23, в); на рис. 2.12 лучше не смотрите — он «из другой оперы». Работает трехуровневый детектор так: пока его вход разомкнут (т. е. выход исследуемой микросхемы находится в Ζ-состоянии), напряжение на входе, благодаря резисторам, равняется или очень близко к напряжению переключения логических элементов. Так как резисторы R2 и R3 тоже вносят свой вклад в деление напряжения, то на входе верхнего инвертора присутствует напряжение несколько большее напряжения переключения, т. е. уровень лог. «1·, а на выходе нижнего меньше напряжения переключения, т. е. уровень лог. «0». Если теперь на вход детектора подать уровень лог. «0», то, так как сопротивление резистора R2 гораздо меньше, чем резистора R1, на входах обоих инверторов установятся уровни лог. «0»; если на вход детектора подать уровень лог. «1», то на входах обоих инверторов также установятся «единицы».

Теперь осталось только согласовать этот детектор с генератором. Генератор, частота которого управляется током, изображен на рис. 2.23, г. Как видно из схемы, длительность его импульса (т. е. уровня лог. «1»на выходе фиксирована и определяется из соотношения R1 · С1, а длительность паузы между импульсами может изменяться в широких пределах и зависит от соотношения R2 · С1 (резистор R1 в это время, благодаря диоду VD1, «отключен»). Так как частота сигнала — это количество импульсов, генерируемых за некоторую единицу времени (1 секунду), то если сопротивления резисторов R2 и R2′ бу-

Рис. 2.23. Логический пробник со звуковой индикацией дут разными, то частота выходного сигнала будет разной, в зависимости от того, на какой из входов генератора поступает уровень лог. «1», разрешающий его работу.

Для того чтобы согласовать генератор и трехуровневый детектор по уровням. последовательно с нижним (на рис. 2.23, в) инвертором нужно включить еще один инвертор. Тогда, если на входе присутствует уровень лог. «1», «единица» будет на выходе нижнего инвертора, если на входе присутствует «ноль», то «единица» будет на выходе верхнего инвертора, а если вход отключен, то на выходах обоих инверторов будут уровни лог. «0».

Схема пробника изображена на рис. 2.23, д. Резисторы R6 и R7 имеют разные сопротивления, поэтому при разных входных уровнях частота сигнала будет разной. Частота сигнала при уровне лог «0» на входе выбрана более низкой, чем при уровне лог. «1», благодаря этому заряду конденсатора С1 хватает на большее время. Скважность сигнала генератора, зависящая от отношения сопротивлений резисторов R8 и R6, R7 выбрана довольно большой, благодаря этому уменьшается употребляемый ток и громкость звука. «Лишний» элемент DD1.6 включен в качестве буферного усилителя; этот элемент можно использовать в других целях, а излучатель BQ1 подключить к выходу элемента DD1.5.

Включать излучатель BQ1 по мостовой схеме (т. е. соединить его нижний по схеме вывод не с общим проводом, а с выходом элемента DD1.5) нежелательно — увеличится потребляемый схемой ток.

При разомкнутых щупах XI и Х2 на выходах элементов DD1.1 и DD1.3 устанавливаются уровни лог. «0». Оба диода VD2 и VD3 закрыты, и через резисторы R6 и R7 ток практически не течет. В этом случае возможно самовозбуждение генератора на очень низких частотах (единицы… десятки герц) потому, что обратное сопротивление диода VD4 может оказаться меньшим, чем входное сопротивление элемента DD1.4, поэтому при уровне лог. «1»на выходе элемента DD1.4 конденсатор Q2 будет очень медленно заряжаться через якобы «закрытый» диод (обратное сопротивление большинства кремниевых диодов не превышает 700 МОм, а входное сопротивление большинства КМОП-микросхем достигает 40 ГОм, т, е. 40 000 МОм). Бороться с этим можно двумя путями:

•                подключив между входом элемента DD1.4 и общим проводом 1…2 диода катодами ко входу элемента, т. е. так, чтобы они всегда были закрытыми;

•                выбрать диоды VD2 и VD3 с таким обратным сопротивлением, чтобы оно было в несколько раз меньше обратного сопротивления диода VD4.

Последний путь наиболее привлекателен, он не требует усложнения схемы и загромождения ее «лишними» деталями. Но для того чтобы прийти по нему к успеху, нужно иметь цифровой мультиметр (любой).

Одна из особенностей цифрового мультиметра — в нем используется КМОПмикросхема с входным сопротивлением в десятки гигаом. Поэтому таким мультиметром в принципе можно измерять сопротивление вплоть до этой цифры и при этом с довольно большой точностью.

Для начала на плате мультиметра нужно найти провод, соединенный с положительным выводом батарейки, и припаять к нему проводок, который следует вывести наружу (все это относится только к недорогим мультиметрам (до 20 долл.) на микросхеме 7106 или ее отечественном аналоге КР572ПВ5). Переведите мультиметр в режим измерения напряжения и коснитесь этого проводка красным щупом, на индикаторе должно появиться число 3,00 ±0,02 В. Это образцовое напряжение, и оно не зависит от степени разряженности батарейки. Кстати, в мультиметрах с возможностью измерения параметра Ь2|, транзисторов разбирать прибор и припаивать проводок не нужно — у них положительный вывод батарейки соединен с контактом «коллектор» панельки для транзистора структуры п-р-п и «эмиттер» — для транзисторов структуры р-п-р.

Если теперь между красным щупом и этим проводком (контактом) включить резистор довольно большого (более 100 кОм) сопротивления, то напряжение на индикаторе уменьшится. Сопротивление резистора можно определить по формуле:

где ио6р — образцовое напряжение, В;

ии1и — напряжение на индикаторе с подключенным резистором, В;

R — сопротивление, МОм.

Если вы измерите обратное сопротивление наиболее распространенного диода КД521, то на индикаторе появится число около 3,6 мВ. Оно соответствует сопротивлению около 830 МОм.

Допустим, мы используем также диоды в качестве VD2 и VD3. Тогда диод VD4 нужно подобрать с обратным сопротивлением более 1 ГОм. Из отечественных диодов этому требованию соответствует диод КД409 (R^ я 30 ГОм), а также почти все варикапы (диоды с электрически изменяемой емкостью). В этой схеме можно использовать варикапы емкостью не более 30 пФ. Если же у вас нет ни диодов, ни варикапов, то в качестве диода VD4 можно использовать любой современный кремниевый биполярный транзистор (переход база—коллектор в диодном включении; вывод эмиттера можно оторвать), у большинства таких транзисторов обратное сопротивление переходов превышает 100 ГОм.

Таким образом, при «никакой» уровне на входе пробника на входе элемента DD1.4 поддерживается уровень лог. «0» и генератор не возбуждается. На выходе буфера DD1.6 присутствует уровень лог. «0», и разность потенциалов на выводах пьезоизлучателя равна нулю. В этом режиме ток течет только через цепочку из резисторов R2…R5; чем больше их суммарное сопротивление, тем лучше. При указанных на схеме номиналах этих резисторов и конденсатора С1 работоспособность пробника во время «индикации» уровня лог. «0» сохраняется в течение 2 минут, а при разомкнутых щупах заряд в конденсаторе С1 сохраняется более 5 минут. При уровне лог. «1»на входе он заряжается за 5…10 секунд; потребляемый ток во всех режимах не превышает 1 мА.

В настройке нуждается только трехуровневый детектор. В точку соединения резисторов R3 и R4 нужно подключить вход одного из инверторов, а к его выходу — логический пробник. На конденсатор С1 временно подают напряжение от внешнего источника (6…9 В) и, изменяя сопротивление резисторов R2 и R5, добиваются, чтобы напряжение на входе инвертора стало близким к напряжению переключения. Но если особая чувствительность пробника не нужно, то настроить пробник можно, если логический пробник подключить к выходам элементов DD1.1 и DD1.3 и подавать на вход XI разные уровни. После этого нужна отключить вход XI (оставить его «болтаться в воздухе») и, изменяя напряжение питания пробника в пределах 2…15 В, убедиться в том, что генератор не возбуждается. В противном случае нужно изменить сопротивления резисторов R2 или R5 так, чтобы звук пропал.

Частоты звучания можно скорректировать подбором емкости конденсатора С2 и (или) резисторов R6 и R7. Генератор желательно настроить так, чтобы при одном из уровней (лог. «1») на входе пробника пьезонзлучатель работал на своей резонансной частоте. Но можно это и не делать.

Схема защищена от подачи обратного (т. е. «неправильного» — на XI — «минус», а на Х2 — «плюс») напряжения: в таком случае диод VD1 попросту закрыт и ток течет только через высокоомные резисторы R3 и R4 на входы элементов DD1.I и DD1 2, выпрямляется защитными диодами внутри этих элементов и замыкается на корпус. При использовании высоковольтного диода VD1 эта схема «выдерживает» обратное напряжение амплитудой в сотни вольт. Если сопротивление резистора R1 увеличить до 47…100 кОм, а параллельно конденсатору Cl подключить стабилитрон с напряжением стабилизации 10…15 В. то этим пробником можно будет работать при входных напряжениях 5…300 В. Если планируется работать с высоким напряжением, то мощность резистора R1 должна быть 1 Вт и более.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты