RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC AM427 EIGENSCHAFTEN ALLGEMEINE BESCHREIBUNG • Versorgungsspannung 5V± ±5% (Ratiometriebereich) • Großer Arbeitstemperaturbereich: –40°C...+100°C • Ratiometrische Stromquelle zur Sensorversorgung • Instrumentenverstärkereingang • Spannungstreiber–Ausgangsstufe: VOUT = 0.5–4.5V, IOUT = ±5mA (Push/Pull) • Einstellbare Ausgangsstrombegrenzung • Verstärkung, Offset und Ausgangsspannungsbereich einstellbar • Überspannungsabschaltung • Verpolschutz Der AM427 ist ein kostengünstiges ratiometrisches Transmitter–IC, welches speziell für die Aufbereitung von Brückensignalen entwickelt worden ist. Das IC eignet sich besonders für piezoresistive und magnetoresistive Siliziumsensoren. Prinzipiell besteht der AM427 aus einem hochgenauen Instrumentenverstärker als Eingangsstufe, einer ratiometrischen Stromquelle, mit der eine Meßzelle versorgt werden kann, und einem Spannungstreiber als Ausgangsstufe. Verstärkung, Offset und die Ausgangsspannung sind über externe Widerstände einstellbar. Der Ausgang ist als Push–/Pull–Stufe ausgelegt. Zusätzlich zu diesen Funktionen sind verschiedene Schutzfunktionen wie Ausgangsstrombegrenzung, Kurzschluß– und Verpolschutz und eine Überspannungsabschaltung integriert. ANWENDUNGEN LIEFERFORMEN • Anwendungen im Automobilbereich • Spannungswandler für Meßbrücken • Sensor–Schnittstelle • DIL16–Gehäuse (Muster, Kleinserien) • SO16(n)–Gehäuse • Dice auf 5“ Dehnfolie aufgespannt BLOCKSCHALTBILD V+ IP VCC 3 2 16 AM427 RSC 15 Überspannungsabschaltung Verpolschutz VIB OP 1 9R IB IN+ IN− RB 150mV IBR 5 OP Ausgangs− Stufe 1R + VOUT 14 VR 7 11 IA 10 VIC IVIC OP 6 4 GND 12 13 RIC Abbildung 1 analog microelectronics Analog Microelectronics GmbH An der Fahrt 13, D – 55124 Mainz Internet: www.analogmicro.de Telefon: +49 (0)6131/91 073 – 0 Telefax: +49 (0)6131/91 073 – 30 E–Mail: [email protected] April 99 1/9 Rev. 2.1 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC AM427 ELEKTRISCHE SPEZIFIKATIONEN Tamb = 25°C, VCC = 5V (unless otherwise noted) Parameter Symbol Voltage Range (Ratio Range) VCC Maximum Supply Voltage VCCmax Quiescent Current ICC Conditions Min. Typ. Max. 4.75 5 5.25 V 6 V 6.2 mA RRB = 500Ω, IIB = 1mA Unit Temperature Specifications Operating Tamb –40 100 °C Storage Tst –55 125 °C Junction TJ Thermal Resistance Θja DIL16 plastic package 70 °C/W Θja SO16 narrow plastic package 140 °C/W 150 °C Over Voltage Switch Off Input Voltage Range VV+ Threshold Voltage VV+THRESH 4.75 27 V 10 15 V Input Current IV+ IV+ V+ = 5V V+ = 27V 45 310 80 550 140 820 µA µA Output Current IIP IIP V+ = 5V V+ = 27V 0.87 1.35 2.1 50 mA nA Ratiometric Current Source – Transducer Sense Voltage Range VVIB Internal Sense Voltage VRB 5 Output Current Range IIB Output Current IIB ratiometric with VIB, RRB = 500Ω, VVIB = 5V Ratiometric Error RAT@IB IRB vs. Temperature ratiometric with VIB, VVIB = 5V 27 0.5 0.50 V V 1.25 mA 1.02 mA VVIB = 5.25V, VCC = 5V, RAT@IB = 1.05 VRB (VVIB = 5V) – VRB (VVIB = 5.25V) ±1 mV dIRB/dT IIB = 1mA ±20 ppm/°C Output Voltage Range VIB IIB = 1.25mA 1.5 Output Resistance RIB IIB = 1mA, RIB = ∆UIB/∆IIB, VVIB = 5V, IIB = 1mA 1.5 4.5 MΩ Power Supply Rejection Ratio ∆IIB ∆VCC = 4.75V – 5.25V, VVIB = 5V, IIB = 1mA 76 90 dB 0.98 1 VCC–0.5V V Instrumentation Amplifier Input Voltage Range VIN+;– Internal Gain GIA 1.5 Common Mode Rejection Ratio Power Supply Rejection Ratio Offset Voltage VOS ±3 mV VOS vs. Temperature dVOS/dT ±10 µV/°C Input Bias Current IB Output Voltage Range VVIA Output Resistance ROUT VIN– = 2V, ∆VIN = 200mV GIA = ∆VVIA/∆VIN VCC–2V V 9.8 10.0 CMRR 80 90 dB PSRR 74 80 dB VIN = 2V 25 0 75 nA VCC–2V V 0.1 % FS 20 ∆VIN = 200mV, ideal input Nonlinearity 10.2 kΩ Voltage Output Stage Adjustable Gain GOUT Input Voltage Range VVR Power Supply Rejection Ratio PSSR analog microelectronics 2 11 0 –72 VCC–2.5V –90 V dB April 99 2/9 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC Parameter Symbol Conditions Min. AM427 Typ. Max. Unit ±3.0 mV Voltage Output Stage (cont.) Offset Voltage VOS VOS vs. Temperature dVOS/dT ∆VIN = 50mV Input Current IIN ∆VIN = 50mV Input Current Pin RSC IRSC VRSC = VVCC – 150mV 8.0 Output Voltage Range VOUT with transistor BCW68H IOUT = 10mA (see figure 5) 0.5 Output Current IOUT with transistor BCW68H Output Current Pin VOUT IVOUT pin VOUT 100 200 Current Limitation Threshold VTHRESH ratiometric with VCC 120 Output Resistance ROUT virtual Linearity ±15 µV/°C 20 75 nA 12.5 25.0 µA 4.5 V 12.5 mA 300 µA 150 180 mV 0.1 0.85 Ω 0.01 %FS 500 515 mV 25 75 nA 35 75 µA 6 mA 6 V Max. Unit ideal input Current Source – Output Internal Sense Voltage VRIC Input Sense Current IRIC ratiometric with VCC Output Current IVIC Output Current IOUT with transistor BC848C Output Voltage Range VOUT with transistor BC848C, IOUT = 5mA 485 20 0.8 RANDBEDINGUNGEN Parameter Symbol Resistor Adjustment Current Source (Transducer) Conditions R1 Min. 400 R3 + R4 Gain Resistor Sum Typ. 1000 Ω 2.0 kΩ Capacitor Power Supply C1 100 Capacitor Frequency Compensation (Output Stage) C2 4.3 5.8 nF Capacitor Load (Output Stage) C3 1.0 10.0 nF Resistor Sense Current Limitation R2 0 50 Ω Resistor Adjustment Current Source (Output Stage) R5 90 1000 Ω nF FUNKTIONSDIAGRAMM VS IBR COMP (ratriometrisch) 12 V GAIN = 20...110 AMP VOUT Ground Abbildung 2 analog microelectronics April 99 3/9 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC AM427 FUNKTIONSBESCHREIBUNG Der AM427 ist ein integrierter ratiometrischer Spannungs–Transmitter, der speziell für die Verarbeitung von Brückeneingangssignalen für Automobilanwendungen entwickelt worden ist. Mit seiner integrierten, ratiometrischen Stromquelle ist es vor allem für die Signalaufbereitung bei piezoresistiven Druckmeßzellen geeignet und erlaubt eine einfache Temperaturkompensation und Kalibrierung dieser Sensorelemente. Zusätzlich zu den Hauptfunktionen werden verschiedene Schutzfunktionen zur Verfügung gestellt. Die integrierten Schutzfunktionen sind: • eine Überspannungsabschaltung, • ein Verpolschutz, • und ein Kurzschlußschutz (VOUT gegen Ground) der Ausgangsstufe. Der AM427 besteht prinzipiell aus 4 funktionalen Blöcken: 1. Mit einer Instrumentenverstärker–Eingangsstufe mit einer festen Verstärkung von GIA = 10 wird das Eingangssignal vorverstärkt. 2. Einer ratiometrische Stromquelle für die Versorgung der Meßzelle: Der Strom IIB kann über die Variation des Widerstands R1 über die folgende Beziehung geändert eingestellt werden: I IB = VVIB 10 R1 3. Einer Open Collector–Ausgangsstufe mit den folgenden Funktionen: • Spannungsausgang: Als Spannungsausgang dient ein Spannungsverstärker mit einer externen PNP–Open Collector–Stufe T1, welche einen maximalen Strom von IOUT = 11mA liefern kann. Die Verstärkung GOUT kann über die externen Widerstände R3 und R4 zwischen GOUT = 2...11 eingestellt werden: GOUT = R3 R3 + R4 Die Verstärkung des gesamten Systems beträgt dann G = GIA GOUT. • Strombegrenzung: Eine Komparatorstufe mit einer fest eingestellten Schwellspannung von VCC–150mV ermöglicht eine einstellbare Strombegrenzung. Der maximale Strom beträgt I OUT max = 150mV . R2 Mit einer externen Schottky–Diode D1 ist die Ausgangsstufe gegen VOUT und Ground kurzschlußgeschützt. Wenn keine Strombegrenzung benötigt wird, müssen die Pins RSC und VCC verbunden werden. • Pull–Down Stromquelle: Wenn ein symmetrischer Push/Pull Ausgang benötigt wird, steht eine Pull–Down Stromquelle mit einem Laststrom von 5mA zur Verfügung. Der Strom kann über den R5 eingestellt werden: analog microelectronics April 99 4/9 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC I OUT = AM427 VIB 10 R5 Wenn diese Stromquelle nicht benutzt wird, müssen die Pins VIC und RIC entweder auf Masse gelegt werden oder dürfen alternativ nicht beschaltet werden. 4. Eine Überspannungsabschaltung mit einer festen Schwellspannung von 12V erlaubt einen Kurzschlußschutz gegen eine höhere Spannung. Im Fall eines Kurzschlusses mit dem Bordnetz von 24V (Automobil) wird der externe PNP–Transistor T1 abgeschaltet, und das IC ist elektrisch von der Überspannung getrennt. Falls die Überspannungsabschaltung nicht benötigt wird, müssen die Pins V+ und IP entweder auf Masse gelegt werden oder dürfen alternativ nicht beschaltet werden. Als besondere Eigenschaft verfügt AM427 über einen integrierten Verpolschutz der drei Pins VCC, GND und OUT. Diese Pins können untereinander fälschlicherweise verschaltet werden, ohne daß das IC beschädigt wird. Einstellen des Ausgangsspannungsbereichs Die Spanne der Ausgangsspannung kann über die Verstärkung GOUT der Ausgangsstufe eingestellt werden. Der Offset der des Ausgangs kann zusammen mit dem Offset des Sensors über die Widerstände RO1 und RO2 (Abbildung 5 und 6) abgeglichen werden. analog microelectronics April 99 5/9 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC AM427 PINOUT PIN VIB 1 16 VCC V+ 2 15 RSC IP 3 14 VOUT GND 4 13 RIC IB 5 12 VIC RB 6 11 VR IN+ 7 10 IN− N.C. 8 9 N.C. Abbildung 3 NAME 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VIB V+ IP GND IB RB IN+ N.C. N.C. IN– VR VIC RIC VOUT RSC VCC DESIGNATION Sens Stromquelle – Meßzelle Sens Überspannungsschutz Ausgang Überspannungsschutz IC–Masse Ausgang Stromquelle – Meßzelle Einstellen Stromquelle – Meßzelle Positiver Eingang IA Nicht kontaktiert Nicht kontaktiert Negativer Eingang IA Einstellen Verstärkung Ausgangsstufe Ausgang Stromquelle – Ausgang Einstellen Stromquelle – Ausgang Ausgang Ausgangsstufe Sens Strombegrenzung Versorgungsspannung LIEFERFORMEN Das ratiometrische Sensor–IC AM427 ist lieferbar als: • 16–Pin–DIL (Muster, Kleinserien) • SO 16 (n) • Dice auf 5“ Dehnfolie aufgespannt GEHÄUSEABMESSUNGEN SO16 (n) 10,06 ± 0,1 4,0 + 0,2 - 0,1 1,45 ± 0,1 ≤ 2,00 0,2 ± 0,05 0,2 ± 0,1 ≤ 0,635 1,27 0,42 ± 0,07 ≥ 0,3 0°-10° 6,2 ± 0,2 16 1 8 Abbildung 4 analog microelectronics April 99 6/9 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC AM427 ANWENDUNG MIT BASISFUNKTIONEN VS C1 3 2 AM427 16 15 Überspannungsabschaltung Verpolschutz OP 1 150mV 9R IBR RTCO1 5 RTCO2 RS RS RS RS OP Output Stage 1R + C2 7 VIN VOUT R3 IA 10 RO2 T2 14 C3 11 RO1 I VIC RTCS OP 12 R4 6 13 R1 Ground 4 Abbildung 5 Die vorliegende zeigt die Grundfunktionen des AM427. Die Schutzfunktionen sind nicht aktiviert (siehe Abbildung 5). Die Strombegrenzung und die zusätzliche Stromquelle am Ausgang werden ebenfalls nicht benutzt. Nur die Kompensation der Meßzelle und das eigentliche ratiometrische System sind beschaltet. Diese Basisanwendung ist prinzipiell auf dem AM 417 realisiert, welcher eine reduzierte Form des AM427 darstellt. Mit den gegebenen Werten für die externen Bauteile (siehe Externe Komponenten) kann die folgende Anwendung realisiert werden: • VIN = 100mV • G = GIA GOUT = 40 • VOUT = 0,5 – 4,5V • IOUT = +10mA – 0,25mA • IBR = 1mA (ratiometrischer Versorgungsstrom für die Meßzelle) analog microelectronics April 99 7/9 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC AM427 ANWENDUNG MIT SCHUTZFUNKTIONEN T1 VS C1 3 2 AM427 15 Überspannungsabschaltung Verpolschutz OP 1 150mV 9R Output Stage IBR RTCO1 5 RTCO2 RS RS RS RS OP R2 16 1R + 14 C2 D1 VOUT 7 VIN R3 IA 10 RO2 T2 C3 11 RO1 I VIC RTCS OP 12 T3 R4 6 13 R1 Ground 4 R5 Abbildung 6 In vorliegenden Anwendung werden alle Merkmale des AM427 genutzt: Die Überspannungsabschaltung und der Verpolschutz sind kontaktiert und aktiv. Die Kurzschlußerkennung kann über den Widerstand R2 eingestellt werden. Das Netzwerk für die Kompensation der Meßzelle wird in der Literatur ausgiebig beschrieben. Mit den gegebenen Werten für die externen Bauteile (siehe Externe Komponenten) kann die folgende Anwendung realisiert werden: • VIN = 75mV • G = GIA GOUT = 40 • VOUT = 1 – 4V • IOUT = ±5mA (Push/Pull) • IBR = 1mA (ratiometrischer Versorgungsstrom für die Meßzelle) analog microelectronics April 99 8/9 RATIOMETRISCHES TRANSMITTER–IC AM427 LISTE DER EXTERNEN KOMPONENTEN Symbol Description T1*, T2 BCW68H, BC557C (or similar) Value Unit low drop, high β at10mA PNP high β at 5mA NPN T3* BC848C, BC548C D1* BAT46, BAS40 R1 IBR = 1 mA 500 Ω R2* IOUTmax = 15 mA (push) 10 Ω } R3 R4 low drop at 10 mA Span (Gain adjustment) 500 Ω VOUT = R3 / (R3 + R4) G 1.5 kΩ 100 Ω R5* IOUT = 5 mA (sink) RS typical transducer resistor 3.0 (typ.) kΩ TC span compensation 10 – 120 kΩ Offset adjustment 0 – 500 Ω 0.1 – 10.0 MΩ RTCS RO1, RO2 RTCO1, RTCO2 TC offset adjustment C1 C2 C3 330 nF ± 10% 4.7 nF ± 10% 1.0 nF * not needed in basic application (Figure 6) TOPOLOGIE DER ANWENDUNG MIT SCHUTZFUNKTIONEN VOUT D1 T2 C3 C2 R2 R3 R4 RTCO1 T3 RTCO2 RS RS RS RS N.C. RTCS 16 15 14 13 12 11 10 9 R5 VS AM427 1 2 3 4 5 6 7 8 RO2 RO1 N.C. T1 Ground C1 R1 Abbildung 7 Analog Microelectronics behält sich Änderungen von Abmessungen, technischen Daten und sonstigen Angaben ohne vorherige Ankündigung vor. analog microelectronics April 99 9/9