Lang lebe der Sensor IoT-Sensoren: Längere Batterie-Laufzeit durch kleinere Analog-Chips

Redakteur: Kristin Rinortner

Maxim Integrated hat die Analog-ICs aus der Reihe „Essential Analog“ um einen PGA, einen Präzisions-Operationsverstärker und eine Echtzeituhr ergänzt. Diese steigern nicht nur die Genauigkeit von Sensor-Anwendungen, sondern reduzieren auch den Strombedarf erheblich. Der Effekt: der Sensor lebt länger.

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Essential Analog ICs: Mit drei neuen ICs können Entwickler die Batterielaufzeit und Präzision von Sensoren in IoT-, Industrie- und Healthcare-Anwendungen verdoppeln und diese gleichzeitig mit einem robusten Gehäuse ausstatten.
Essential Analog ICs: Mit drei neuen ICs können Entwickler die Batterielaufzeit und Präzision von Sensoren in IoT-, Industrie- und Healthcare-Anwendungen verdoppeln und diese gleichzeitig mit einem robusten Gehäuse ausstatten.
(Bild: Maxim Integrated)

Maxim Integrated hat sein Portfolio der Analog-ICs um drei Produkte ergänzt: den Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung MAX40400, den Präzisions-Operationsverstärker MAX40108 und die Echtzeituhr mit integriertem MEMS-Oszillator MAX31343. Die drei Präzisions-ICs aus der Reihe „Essential Analog“ sind auf Anwendungen in Industrie, Medizintechnik und IoT ausgelegt, wo sie die Batterie-Laufzeit von Sensoren erhöhen sollen.

Anwendungen des Internets der Dinge wachsen mit dem Einsatz von „Umweltsensoren“, die Temperaturen, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Luftqualität etc. messen. Das Potenzial derartiger Sensorik-Anwendungen ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft.

IoT-Bausteine: Leistungsfähigkeit kontra Leistungsaufnahme

Auf der Hardware-Ebene arbeiten viele dieser Sensoren per Funk (wireless) mit einer kleinen Batterie, die einen kleinen Formfaktor gewährleisten und eine langjährige Lebensdauer garantieren muss. Der Fokus der Sensorhersteller liegt auf einem minimalen Stromverbrauch, um die Batterielebensdauer und damit die Austauschintervalle zu verlängern und eine höhere Anzahl von Funktionen zu implementieren.

Maurizio Gavardoni, Maxim: „Wir sind die ersten, die diese guten Leistungsparameter im Modus Low Power bieten.“
Maurizio Gavardoni, Maxim: „Wir sind die ersten, die diese guten Leistungsparameter im Modus Low Power bieten.“
(Bild: Maxim)

„Es geht eigentlich immer um die Frage, Leistungsfähigkeit vs. Leistungsaufnahme. Wie hebt man sich in dieser Beziehung vom Wettbewerb ab?“, erklärt Maurizio Gavardoni, Senior Principal Member of Technical Staff bei Maxim Integrated in San Jose / USA.

Deswegen habe man bei den Chips der analogen Signalkette den Fokus auf Leistungsaufnahme, Versorgungsspannung, Rauschen, Offset; Präzision und Stabilität speziell bei Operationsverstärkern sowie die Größe der Bauelemente, hier insbesondere bei der Echtzeituhr, gelegt.

Auf die IoT-Welt übertragen, wo Mikrocontroller, A/D-Wandler und Bluetooth die Sensorik steuern, bedeutet dies, dass beispielsweise CO2-Sensoren weniger oft ausgewechselt werden müssen.

Die analoge Signalkette der Zukunft: Was ist neu am Konzept?

„Die analoge Sensorsignalkette der Zukunft arbeitet mit einer sehr niedrigen Betriebsspannung, die 1,2 bis hinunter zu 1 V beträgt, und ermöglicht so erhebliche Energieeinsparung im System“, erklärt Gavardoni. Maxims Analog-Chips seien die ersten Bausteine für diese analoge Signalkette der Zukunft, die mit verlängerter Batterielebensdauer, vereinfachter Energie- und Systemarchitektur sowie bei der Genauigkeit und Signalintegrität der Signalkette punkten.

Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung MAX41400: Der aus drei Operationsverstärkern bestehende Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (durch die Eingangs-Pins) MAX41400 bietet laut Gavardoni um den Faktor 10 bessere Leistungswerte im Low-Power-Bereich. „Die Genauigkeit des Sensorsystems lässt sich damit um das Vierfache steigern, also 14 Bit ENOB statt 12 Bit ENOB bei einem Viertel des Stromverbrauchs.“

Bild 1: Der PGA MAX 41400 zeichnet sich durch um den Faktor 10 bessere Leistungswerte im Low-Power-Bereich aus.
Bild 1: Der PGA MAX 41400 zeichnet sich durch um den Faktor 10 bessere Leistungswerte im Low-Power-Bereich aus.
(Bild: Maxim)

Da der Chip nur einen Versorgungsstrom von 65 µA benötigt, erhöhe sich die Batterielaufzeit um 55%. Zudem bietet der Chip einen niedrigen eingangsseitigen Offset von 25 µV und geringes Rauschen. Die Verstärkung ist von 10 bis 250 V/V auswählbar, die –3dB-Bandbreite beträgt 28 kHz.

„Wir sind die ersten, die diese guten Leistungsparameter im Modus Low Power bieten. Im Vergleich zum Wettbewerb sind wir um den Faktor 10 besser“, erklärt Gavardoni.

Low Power: Das Problem des Instrumentenverstärkers ist die Präzision des ADC

Wo liegt nun jedoch das Problem bei modernen Instrumentenverstärkern in der analogen Signalkette? Batteriebetriebene Sensoren (z.B. Kraft, Druck, Entfernung, CO2) sollen, wie bereits ausgeführt, weniger Strom verbrauchen, um die Laufzeit der Sensorik zu verlängern.

In der analogen Signalkette steuert der PGA jedoch einen A/D-Wandler im Low-Power-Modus. In der Regel werden hier 24 Bit Sigma-Delta A/D-Wandler verwendet. Betreibt man einen derartigen ADC im „Niedrigspannungsmodus“, sinkt die effektive Auflösung (ENOB) von 24 auf 12 Bit. Der Anwender ist hier also mit einen Präzisionsverlust konfrontiert.

Um das zu umgehen, wählt Maxim an dieser Stelle einen anderen Ansatz. Statt eines Sigma-Delta-ADCs verwendet man eine SAR ADC, der äquivalente Funktionen aber bei wesentlich geringeren Spannungen bietet. Das bedeutet, dass die effektive Auflösung des A/D-Wandlers nur auf etwa 14 Bit absinkt.

Anders herum gesagt, bedeutet das eine Genauigkeit von 14 Bit ENOB bei einem Viertel des Stromverbrauchs. „Wir denken, dass uns hier ein entscheidender Fortschritt gelungen ist“, fasst Gavardoni zusammen.

Was heißt Low Power bei Präzisionsverstärkern?

Der zweite Baustein, der Präzisionsverstärker MAX40108, reiht sich hier ein. Dabei handelt es sich laut Gavardoni um den industrieweit ersten Operationsverstärker seiner Klasse, der an einer Versorgungsspannung von 0,9 V arbeitet, aber trotzdem gute Werte bei der Genauigkeit bietet. Weitere Chips sollen folgen.

Bild 2: Der Präzisionsverstärker MAX 40108 ist der industrieweit erste Operationsverstärker, der an einer Versorgungsspannung von 0,9 V arbeitet, aber trotzdem gute Werte bei der Genauigkeit bietet.
Bild 2: Der Präzisionsverstärker MAX 40108 ist der industrieweit erste Operationsverstärker, der an einer Versorgungsspannung von 0,9 V arbeitet, aber trotzdem gute Werte bei der Genauigkeit bietet.
(Bild: Maxim)

Durch die sehr geringe Leistungsaufnahme, die aus der Kombination von niedriger Betriebsspannung und einem Ruhestrom von 25,5 µA resultiert, können Entwickler die Batterielaufzeit des Sensors verdoppeln.

Der Chip kommt mit Rail-to-Rail-CMOS-Ein- und Ausgängen, einer GBW von 168 kHz und offeriert eine Offset-Spannungsdrift von 1 µV am Eingang.

Die Zero-Drift-Ausführung reduziert das hohe 1/f-Rauschen, das in CMOS-Operationsverstärkern am Eingang auftritt. Der Verstärker ist für einen Temperaturbereich von –40 bis 125°C ausgelegt.

Eine Echtzeituhr mit MEMS-Oszillator und Größenvorteil

Die Echtzeituhr MAX31343 mit I²C-Schnittstelle ist der erste Chip, bei dem 2 Dies (MEMS-Oszillator und Elektronik) in einem WLP-Gehäuse (Wafer Package Level) kombiniert sind. Das gelingt, indem die Dies ineinander gepackt werden, ähnlich wie beim Känguru-Jungtier. Das Package nennt Maxim dann auch Känguru-Gehäuse.

„Durch unsere Entwicklung gelingt ein beträchtlicher Größenvorteil des Systems“, konstatiert Gavardoni. Der MAX31343 mit 8 Pins misst 2,1 mm x 2,3 mm = 4,8 mm2. Zum Vergleich: Das Flaggschiff des Marktführers ist 3,2 mm x 2,5 mm = 8 mm2 und das eines weiteren Marktbegleiters ist 3,2 mm x 1,5 mm = 4,8 mm2 groß bzw. klein.

Bild 3: Der MAX 31434 ist eine sehr robuste und trotzdem genaue Echtzeituhr mit integriertem MEMS-Resonator (statt Quarz) im äußerst kleinen „Känguru-Gehäuse“.
Bild 3: Der MAX 31434 ist eine sehr robuste und trotzdem genaue Echtzeituhr mit integriertem MEMS-Resonator (statt Quarz) im äußerst kleinen „Känguru-Gehäuse“.
(Bild: Maxim)

Maxim ist der einzige Hersteller, der eine Echtzeituhr mit integriertem MEMS-Resonator anbietet. Alle anderen Wettbewerber verwenden Quarze. Daraus resultiert neben der reduzierten Größe noch ein anderer Vorteil: Durch den integrierten MEMS-Resonator ist der Chip sehr robust und vor mechanisch bedingten Ausfällen, wie sie bei Quarzen passieren, geschützt.

Die Zeitmessgenauigkeit liegt bei ±5 ppm und bietet damit einen deutlich besseren Wert als der nächste Wettbewerber, so Gavardoni. Der Betriebsbereich reicht von –40 bis 85 °C. Die Echtzeituhr ist UL-gelistet.

Die vorgestellten analogen ICs sind über die Website des Herstellers sowie bei Distributoren erhältlich (Mindestabnahme 1000 Stück): MAX41400 für 0,87 US-Dollar, MAX40108 für 0,99 US-Dollar und MAX31343 ist für 1,72 US-Dollar. Für alle ICs sind Evaluation-Kits verfügbar.

Mit einer kostenlosen App (Apple Shop und Google Play Store) können Ingenieure übrigens bequem vom Smartphone aus auf technische Details und Spezifikationen der Essential-Analog-ICs zugreifen.

Welche Vorteile bringen die drei Chips dem Entwickler?

1. Verlängerte Batterie-Laufzeit: Der Präzisions-Operationsverstärker MAX40108 kann bei entsprechendem Sensoraufbau die Batterie-Laufzeit von Sensoren im 0,9-V-Betrieb im Vergleich zum nächsten Wettbewerbsprodukt mit 1,8-V-Betrieb verdoppeln. Bei Tests mit batteriebetriebenen Industriesensoren konnte durch den Einsatz des Präzisions-OPV die Akku-Laufzeit von bisher 7,4 auf 11,5 Stunden im Vergleich zum nächsten Wettbewerbsprodukt verlängert werden.

2. Höchste Genauigkeit: Die Echtzeituhr MAX31343 bietet das genaueste Timing und garantiert eine Abweichung von weniger als 3 min pro Jahr. Der PGA MAX41400 erhöht die Genauigkeit des Sensorsystems um bis zu effektiv 2 Bit durch die Kombination von geringem Offset, geringem Rauschen und integrierter programmierbarer Verstärkung.

3. Robuster Schutz: Aufgrund der nanoPower-Technik bietet die hochgenaue Echtzeituhr MAX31343 eine Schockfestigkeit von mehr als 2900 G und eine Vibrationsfestigkeit von mehr als 50 G. Maxim ist der einzige Anbieter von Echtzeituhren mit einem derartig hohen Grad an Robustheit.

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