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Microcontroller mit integriertem TIA (Transimpedance Amplifiers)

Sensorik für das IoT

Mit der Zunahme an portablen Geräten und elektronischen Gadgets steigt auch die Nachfrage an intelligenten Sensor- und Messfunktionen. Zu den Anforderungen gehören erhöhte Sensibilität, die Fähigkeit zur Detektierung mit wenig Strom und ein geringer Stromverbrauch. 

 (Bild: Texas Instruments)

(Bild: Texas Instruments)

Hinzu kommt, dass viele dieser hochentwickelten Sensor- und Messfunktionen als Ausgangssignale sehr geringe Ströme ausgeben, die anschließend digital verarbeitet werden müssen. Bevor dies aber geschehen kann, müssen diese sehr kleinen Ströme verstärkt und Spannungssignale verwandelt werden. Diese können anschließend von einem A/D-Wandler (ADC) digitalisiert und einem Prozessor – in den meisten Fällen einem Mikrocontroller – zugeführt werden. Zum Verstärken oder Umwandeln der sehr kleinen Ströme, die viele dieser neuen Sensoren ausgeben, sind die meisten handelsüblichen Operationsverstärker jedoch ungeeignet.

Die besten Voraussetzungen für diese Anwendungen bringen vielmehr Transimpedanz-Verstärker (Transimpedance Amplifiers – TIAs) mit. Leider haben viele diskrete TIAs den Nachteil eines sehr hohen Eingangs-Leckstromes. Dieser wiederum setzt dem Strom, den der TIA verstärken und in eine Spannung umwandeln kann, eine bestimmte Untergrenze. Viele Standard-TIAs weisen beispielsweise einen Eingangs-Leckstrom von rund 5nA auf. Dementsprechend können Sensor-Ausgangsströme, die unter dieser Grenze von 5nA liegen, von diesen Standard-TIAs nicht verstärkt und umgewandelt werden. Eine vielversprechende Lösung für dieses Dilemma wäre die Optimierung des TIA mit dem Ziel eines niedrigen Leckstromes (im Mikrocontroller). Hierdurch ließe sich der Eingangs-Leckstrom des TIA um den Faktor 100 reduzieren, wenn ein Leckstrom von nur 50pA erreicht würde.

Hochempfindliches Sensor-Subsystem

Durch die Kombination einer Lösung dieser Art mit einem Sensor, der einen sehr geringen Strom ausgibt, würde ein intelligentes, superempfindliches Sensor-Subsystem entstehen, das äußerst geringe Ströme auswerten kann. Die geringste Änderung der vom Sensor überwachten Messgröße würde eine sehr geringe Änderung des Sensor-Ausgangsstroms bewirken. Das Sensor-Subsystem würde also eine höhere Empfindlichkeit erreichen als je zuvor. Eine solche Lösung aus TIA und MCU eignet sich hervorragend für eine Vielzahl von Anwendungen. Umgebungssensorsysteme wie etwa Rauchmelder oder Gassensoren beispielsweise für Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid würden schon die geringste Spur von Rauch oder CO in der Luft registrieren. Sensoren dieser Art könnten selbstverständlich in Gebäudeautomations-Systemen eingesetzt werden, in denen weitere Anwendungen auf die gleiche Kombination aus TIA und MCU setzen. Intelligente Thermostate könnten beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit überwachen, und ein per Funk betätigter Schalter könnte die von der Beleuchtung in einem Raum aufgenommene Leistung überwachen und steuern. Sogar Wearables wie zum Beispiel Smart Watches oder Fitness-Tracker könnten mit einem Sensor-Subsystem ausgestattet werden. Zum Beispiel könnten Menschen mit empfindlicher Haut Interesse an einer Smart Watch haben, die zur Vermeidung von Sonnenbrand die Intensität der UV-Einstrahlung misst.

Die Überwachung der Leistungsaufnahme ist eine weitere Anwendung, die speziell für die Vielzahl batteriebetriebener Applikationen an Bedeutung gewinnt, die heute so große Popularität erlangt haben. Eine Lösung auf Basis einer TIA/MCU-Kombination kann den aus einem Akku herausfließenden Strom messen, daraus die verbleibende Akkukapazität berechnen und den Anwender warnen, wenn das Gerät neu geladen werden muss. Hieran wird bereits deutlich, wie umfangreich das Spektrum der möglichen Anwendungen ist.

Autor: Shailesh Thakurdesai,
Strategic Marketing Manager,
Texas Instruments
www.ti.com

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