TMD3700 - датчик приближения, освещения и цвета от ams

Компания ams славится своим особым подходом к созданию датчиков. Этот подход заключается в достижении максимальной функциональности за счет интеграции множества различных сенсоров и вспомогательных блоков в одном малогабаритном корпусе. Например, новые микросхемы TMD3700 объединяют в себе три 16-битных датчика цвета (синий, зеленый, красный), 16-битный датчик освещенности, датчик приближения с разрешением 8 бит, инфракрасный светодиод, логику управления, систему питания и контроллер I²C.

Рис. 1.	Многофункциональная микросхема TMD3700 от ams.

Микросхемы и датчики для современных мобильных приложений должны обеспечивать высокую функциональность, малые габариты и минимальный уровень потребления. Иногда эти требования противоречат друг другу, а иногда хорошо сочетаются.

Как известно, в современных микросхемах полупроводниковые кристаллы имеют весьма скромные размеры, а конечные габариты определяются корпусным исполнением. Это особенно заметно при использовании стандартных корпусов (SOIC, TSSOP и т. д.). Если же отказаться от стандартных решений и использовать собственную упаковку, то можно добиться значительного выигрыша в размерах без потери функциональности.

С другой стороны, если поместить в одном корпусе несколько датчиков, то можно оптимизировать число вспомогательный блоков. Например, для всех встроенных сенсоров реально использовать общие цепи питания и тактирования, один блок управления и один контроллер коммуникационного интерфейса (например, I²C, SPI и т. д.).

Интеграция нескольких датчиков в одном корпусе также позволяет уменьшить число коммуникационных линий, тем самым, упрощая схему включения и разводку печатной платы. Кроме того, становится возможным оптимизация режимов пониженного потребления, что, как было сказано выше, является важным фактором для современных мобильных приложений с аккумуляторным питанием.

Примером использования предложенного подхода с максимальным уровнем интеграции являются микросхемы и датчики от компании ams. Инженеры из ams формируют набор целевых сенсоров, организуют общие блоки управления и питания и помещают полученное решение в уникальный корпус оптимального типоразмера. В результате пользователи получают многофункциональную систему с минимальными габаритами и низким потреблением. Все это относится и к новым микросхемам датчиков TMD3700x.

TMD3700 – система в корпусе, включающая в себя: три датчика цвета (синий, зеленый, красный), датчик освещенности, датчик приближения со встроенным инфракрасным светодиодом, четыре 16-битных АЦП для датчиков цвета и освещенности, 8-битный АЦП для датчика приближения, логику управления, систему питания и тактирования цифровой части схемы, источник тока для питания ИК-светодиода, контроллер I²C (Рис. 2).

Рис. 2.	Структурная схема SIP-микросхемы TMD3700 от ams.

Все перечисленные датчики и функциональные блоки умещаются в одном 8-выводном малогабаритном корпусе размером 4.00×1.75×1.00 мм (Рис. 3).

Рис. 3.	Корпус и расположение выводов TMD3700.

Датчики цвета и датчик уровня общей освещенности используют линзу и прозрачное окно, встроенные в корпус микросхемы. Эффективный угол для падающих лучей составляет 45 градусов (Рис. 4).

Рис. 4.	Диаграмма направленности линзы в TMD3700.

Для каждого из датчиков цвета и освещенности предназначен индивидуальный фотодиод (Рис. 5). При этом для сенсоров цвета ширина спектра оказывается достаточно узкой. Это сделано для уменьшения влияния других длин волн и для получения точных результатов. Центральные длины волн для этих датчиков составляют 465/ 530/ 620 нм. Спектр датчика освещенности достаточно широкий – от 400 до 700 нм.

Рис. 5.	Спектр датчиков цвета и освещенности в TMD3700.

Выходные аналоговые сигналы, снимаемые с датчиков цвета и освещенности, могут быть усилены с коэффициентами 0.25/ 1/ 4/ 16/ 64. Их оцифровка производится с помощью 16-битных АЦП. Характеристика преобразования оказывается практически линейной (Рис. 6).

Рис. 6.	Характеристика преобразования датчиков цвета и освещенности в TMD3700.

Оптическая система TMD3700 имеет фильтры УФ и ИК-излучения. Последний факт важен для устранения влияния ИК-светодиода, используемого для датчика приближения. Длина волны излучения ИК-светодиода составляет 950 нм.

Датчик приближения позволяет определять расстояние до объекта вплоть до 15 см. При этом дальность обнаружения зависит от четырех факторов (Рис. 7):

• величины тока через ИК-светодиод;
• числа измерительных импульсов;
• длительности измерительных импульсов;
• коэффициента усиления выходного сигнала фотоприемника (1/ 2/ 4/ 8).

Рис. 7.	Зависимость чувствительности датчика приближения от различных факторов.

При выборе состава сенсоров для микросхемы TMD3700 разработчики явно ориентировались на мобильные приложения: смартфоны, планшеты и игровые устройства. В частности, датчик приближения может быть использован для определения положения рук над экраном устройства, что важно для игр и для определения поднесен ли телефон к уху пользователя. Датчики освещенности и цвета необходимы для корректировки настроек дисплея. Они позволяют подстраивать яркость экрана при различных уровнях освещения и регулировать подсветку в зависимости от составляющих спектра окружающего фонового света.

Так как речь идет о мобильных приложениях, то одним из ключевых факторов при выборе микросхем является уровень потребления. В данном случае TMD3700 показывает вполне адекватные результаты. В активном режиме ток потребления составляет до 150 мкА без учета тока ИК-светодиода. В режиме ожидания, когда датчики неактивны, ток падает до 60 мкА. С помощью команд по I²C пользователь может отключить систему тактирования и перевести TMD3700 в спящий режим. В таком случае потребление составит и вовсе 5 мкА.

Схема подключения TMD3700 достаточно проста (Рис. 8). Она требует наличия всего лишь нескольких пассивных компонентов: резисторов подтяжки на I²C, блокирующих конденсаторов и защитного резистора по питанию.

Рис. 8.	Схема включения SIP-микросхемы TMD3700.

Для максимально быстрого ознакомления с возможностями микросхем TMD3700 следует воспользоваться отладочным набором TMD3700 EVM (Рис. 9). Этот набор включает: основную плату с установленным микроконтроллером PIC, дочернюю плату с модулем TMD3700, USB-кабель.

Рис. 9.	Внешний вид отладочного набора TMD3700 EVM.

Работа с отладочным набором ведется с помощью прикладной программы для ПК, которую можно скачать с сайта ams. Данная утилита позволяет в режиме реального времени настраивать датчики и получать результаты их измерений (Рис. 10).

Рис. 10.	Окно программы для работы с отладочным набором TMD3700 EVM.

Характеристики приемопередатчика TMD37003:

• Встроенные датчики: датчик приближения, датчик освещенности, датчики цвета (R, G, B);
• Диапазон измеряемого уровня освещенности: 100 мЛк…60 кЛк;
• Длины волн пиковой чувствительности датчиков RGB: 465 нм, 530 нм, 620 нм;
• Разрядность встроенного АЦП датчиков освещенности и цвета: 16 бит;
• Разрядность встроенного АЦП датчика приближения: 8 бит;
• Длина волны ИК-диода: 950 нм;
• Коммуникационный интерфейс: I²C;
• Адрес в сети I²C: 39h (29h по запросу TMD37007);
• Ток потребления: до 150 мкА в активном режиме, до 60 мкА в режиме ожидания, до 5 мкА в режиме сна;
• Напряжение питания: 1.7...2.0 В (цифровое питание), 3.3 В для питания ИК-светодиода;
• Диапазон рабочих температур: 0…+85 °C;
• Корпус: 8-выводной 4.00×1.75×1.00 мм.

Состав отладочного набора TMD3700 EVM:

• основная плата для подключения к ПК через USB-интерфейс. Построена на базе микроконтроллера PIC;
• дочерняя плата с модулем TMD3700;
• USB-кабель.

Посмотреть более подробно технические характеристики датчиков AMS