इंटेल एएन 769 एफपीजीए रिमोट टेम्परेचर सेंसिंग डायोड
परिचय
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में, विशेष रूप से ऐसे अनुप्रयोग जिनमें महत्वपूर्ण तापमान नियंत्रण की आवश्यकता होती है, ऑन-चिप तापमान माप महत्वपूर्ण है।
उच्च प्रदर्शन प्रणालियां इनडोर और बाहरी वातावरण के लिए सटीक तापमान माप पर निर्भर करती हैं।
- प्रदर्शन को अनुकूलित करें
- विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करें
- घटकों को नुकसान रोकें
Intel® FPGA तापमान निगरानी प्रणाली आपको जंक्शन तापमान (TJ) की निगरानी के लिए तृतीय-पक्ष चिप्स का उपयोग करने की अनुमति देती है। यह बाहरी तापमान निगरानी प्रणाली तब भी काम करती है जब Intel FPGA पावर डाउन हो या कॉन्फ़िगर नहीं किया गया हो। हालाँकि, जब आप बाहरी चिप और Intel FPGA रिमोट टेम्परेचर सेंसिंग डायोड (TSDs) के बीच इंटरफ़ेस डिज़ाइन करते हैं, तो आपको कई बातों पर विचार करना चाहिए।
जब आप एक तापमान संवेदन चिप का चयन करते हैं, तो आप आमतौर पर उस तापमान सटीकता को देखेंगे जिसे आप प्राप्त करना चाहते हैं। हालाँकि, नवीनतम प्रक्रिया प्रौद्योगिकी और एक अलग रिमोट टीएसडी डिज़ाइन के साथ, आपको अपनी डिज़ाइन सटीकता आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए तापमान संवेदन चिप की अंतर्निहित सुविधाओं पर भी विचार करना चाहिए।
Intel FPGA दूरस्थ तापमान माप प्रणाली की कार्यप्रणाली को समझकर, आप निम्न कार्य कर सकते हैं:
- तापमान संवेदन अनुप्रयोगों के साथ सामान्य समस्याओं का पता लगाएं।
- सबसे उपयुक्त तापमान संवेदन चिप का चयन करें जो आपकी एप्लिकेशन आवश्यकताओं, लागत और डिज़ाइन समय को पूरा करती है।
इंटेल दृढ़ता से अनुशंसा करता है कि आप स्थानीय टीएसडी का उपयोग करके ऑन-डाई तापमान को मापें, जिसे इंटेल ने मान्य किया है। इंटेल विभिन्न सिस्टम स्थितियों के तहत बाहरी तापमान सेंसर की सटीकता को मान्य नहीं कर सकता है। यदि आप बाहरी तापमान सेंसर के साथ दूरस्थ टीएसडी का उपयोग करना चाहते हैं, तो इस दस्तावेज़ में दिशानिर्देशों का पालन करें और अपने तापमान माप सेटअप की सटीकता को मान्य करें।
यह एप्लिकेशन नोट Intel Stratix® 10 FPGA डिवाइस परिवार के लिए दूरस्थ TSD कार्यान्वयन पर लागू होता है।
कार्यान्वयन खत्मview
बाहरी तापमान संवेदन चिप Intel FPGA रिमोट TSD से जुड़ती है। रिमोट टीएसडी एक पीएनपी या एनपीएन डायोड-कनेक्टेड ट्रांजिस्टर है।
- चित्र 1. तापमान संवेदन चिप और इंटेल एफपीजीए रिमोट टीएसडी (एनपीएन डायोड) के बीच कनेक्शन
- चित्र 2. तापमान संवेदन चिप और इंटेल एफपीजीए रिमोट टीएसडी (पीएनपी डायोड) के बीच संबंध
निम्नलिखित समीकरण बेस-एमिटर वॉल्यूम के संबंध में एक ट्रांजिस्टर का तापमान बनाता हैtagई (वीबीई)।
- समीकरण 1. ट्रांजिस्टर के तापमान से बेस-एमिटर वॉल्यूम के बीच संबंधtagई (वीबीई)
कहाँ:
- टी - केल्विन में तापमान
- q—इलेक्ट्रॉन आवेश (1.60 × 10−19 C)
- वीबीई-बेस-एमिटर वॉल्यूमtage
- k—बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- आईसी - कलेक्टर करंट
- IS-रिवर्स संतृप्ति धारा
- η—रिमोट डायोड का आइडियलिटी फैक्टर
समीकरण 1 को पुनर्व्यवस्थित करने पर, आपको निम्न समीकरण प्राप्त होता है।
- समीकरण 2. वीबीई
आमतौर पर, तापमान संवेदन चिप दो लगातार अच्छी तरह से नियंत्रित धाराओं, I1 और I2 को P और N पिन पर बल देती है। चिप तब डायोड के वीबीई के परिवर्तन को मापता है और औसत करता है। VBE में डेल्टा सीधे तापमान के समानुपाती होता है, जैसा कि समीकरण 3 में दिखाया गया है। - समीकरण 3. वीबीई में डेल्टा
कहाँ:
- एन-मजबूर वर्तमान अनुपात
- VBE1-बेस-एमिटर वॉल्यूमtagई I1 पर
- VBE2-बेस-एमिटर वॉल्यूमtagई I2 पर
कार्यान्वयन विचार
उपयुक्त सुविधाओं के साथ तापमान संवेदन चिप का चयन करने से आप माप सटीकता प्राप्त करने के लिए चिप को अनुकूलित कर सकते हैं। जब आप चिप का चयन करें तो संबंधित जानकारी में विषयों पर विचार करें।
- आइडियलिटी फैक्टर (η-फैक्टर) बेमेल
- श्रृंखला प्रतिरोध त्रुटि
- तापमान डायोड बीटा भिन्नता
- विभेदक इनपुट संधारित्र
- ऑफसेट मुआवजा
आइडियलिटी फैक्टर (η-फैक्टर) बेमेल
जब आप बाहरी तापमान डायोड का उपयोग करके जंक्शन तापमान माप करते हैं, तो तापमान माप की सटीकता बाहरी डायोड की विशेषताओं पर निर्भर करती है। आदर्शता कारक एक दूरस्थ डायोड का एक पैरामीटर है जो डायोड के आदर्श व्यवहार से विचलन को मापता है।
आप आमतौर पर डायोड निर्माता से डेटा शीट में आदर्शता कारक पा सकते हैं। अलग-अलग बाहरी तापमान डायोड आपको अलग-अलग मूल्य देते हैं क्योंकि वे अलग-अलग डिज़ाइन और प्रक्रिया तकनीकों का उपयोग करते हैं।
आदर्शता बेमेल एक महत्वपूर्ण तापमान माप त्रुटि का कारण बन सकती है। महत्वपूर्ण त्रुटि से बचने के लिए, इंटेल अनुशंसा करता है कि आप एक तापमान संवेदन चिप का चयन करें जिसमें एक विन्यास योग्य आदर्शता कारक हो। बेमेल त्रुटि को समाप्त करने के लिए आप चिप में आदर्शता कारक मान को बदल सकते हैं।
- Exampले 1. आदर्शता कारक तापमान माप त्रुटि में योगदान
यह भूतपूर्वampले दिखाता है कि आदर्शता कारक तापमान माप त्रुटि में कैसे योगदान देता है। पूर्व मेंampले, गणना एक महत्वपूर्ण तापमान माप त्रुटि के कारण आदर्शता बेमेल दिखाती है।
- समीकरण 4. आइडियलिटी फैक्टर का मापित तापमान से संबंध
कहाँ:
- ηTSC-तापमान संवेदन चिप का आदर्श कारक
- TTSC-तापमान संवेदन चिप द्वारा पढ़ा गया तापमान
- ηRTD—दूरस्थ तापमान डायोड का आदर्श कारक
- TRTD-रिमोट तापमान डायोड पर तापमान
निम्नलिखित चरणों में तापमान संवेदन चिप द्वारा तापमान माप (TTSC) का अनुमान लगाया जाता है, निम्नलिखित मान दिए गए हैं:
- तापमान संवेदक (ηTSC) का आइडियलिटी फैक्टर 1.005 है
- दूरस्थ तापमान डायोड (ηRTD) का आइडियलिटी फैक्टर 1.03 है
- दूरस्थ तापमान डायोड (TRTD) पर वास्तविक तापमान 80°C है
- 80°C के TRTD को केल्विन में बदलें: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- समीकरण 4 लागू करें। तापमान सेंसिंग चिप द्वारा परिकलित तापमान 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03 है
- परिकलित मान को सेल्सियस में बदलें: TTSC = 344.57 K - 273.15 K = 71.43°C आदर्शता बेमेल के कारण तापमान त्रुटि (TE):
टीई = 71.43 डिग्री सेल्सियस - 80.0 डिग्री सेल्सियस = -8.57 डिग्री सेल्सियस
श्रृंखला प्रतिरोध त्रुटि
पी और एन पिन पर श्रृंखला प्रतिरोध तापमान माप त्रुटि में योगदान देता है।
श्रृंखला प्रतिरोध से हो सकता है:
- तापमान डायोड के पी और एन पिन का आंतरिक प्रतिरोध।
- बोर्ड ट्रेस प्रतिरोध, पूर्व के लिएampले, एक लंबा बोर्ड ट्रेस।
श्रृंखला प्रतिरोध अतिरिक्त वॉल्यूम का कारण बनता हैtagई तापमान संवेदन पथ पर छोड़ने के लिए और माप त्रुटि में परिणाम, तापमान माप की सटीकता को प्रभावित करता है। आमतौर पर, यह स्थिति तब होती है जब आप 2-वर्तमान तापमान संवेदन चिप के साथ तापमान माप करते हैं।
चित्र 3. आंतरिक और ऑन-बोर्ड श्रृंखला प्रतिरोधश्रृंखला प्रतिरोध बढ़ने पर होने वाली तापमान त्रुटि की व्याख्या करने के लिए, कुछ तापमान संवेदन चिप निर्माता रिमोट डायोड तापमान त्रुटि बनाम प्रतिरोध के लिए डेटा प्रदान करते हैं।
हालाँकि, आप श्रृंखला प्रतिरोध त्रुटि को समाप्त कर सकते हैं। कुछ तापमान संवेदन चिप में अंतर्निहित श्रृंखला प्रतिरोध रद्दीकरण सुविधा है। श्रृंखला प्रतिरोध रद्द करने की सुविधा श्रृंखला प्रतिरोध को कुछ सौ Ω की सीमा से कुछ हज़ार Ω से अधिक की सीमा तक समाप्त कर सकती है।
इंटेल अनुशंसा करता है कि जब आप तापमान संवेदन चिप का चयन करते हैं तो आप श्रृंखला प्रतिरोध रद्दीकरण सुविधा पर विचार करें। रिमोट ट्रांजिस्टर के रूटिंग के प्रतिरोध के कारण होने वाली तापमान त्रुटि को सुविधा स्वचालित रूप से समाप्त कर देती है।
तापमान डायोड बीटा भिन्नता
जैसे-जैसे प्रक्रिया प्रौद्योगिकी ज्यामिति छोटी होती जाती है, PNP या NPN सब्सट्रेट का बीटा (β) मान घटता जाता है।
चूंकि तापमान डायोड बीटा मान कम हो जाता है, विशेष रूप से यदि तापमान डायोड संग्राहक को जमीन से बांधा जाता है, तो बीटा मान पृष्ठ 3 पर समीकरण 5 पर वर्तमान अनुपात को प्रभावित करता है। इसलिए, एक सटीक वर्तमान अनुपात बनाए रखना महत्वपूर्ण है।
कुछ तापमान संवेदन चिप्स में अंतर्निहित बीटा क्षतिपूर्ति सुविधा होती है। सर्किटरी की बीटा भिन्नता बेस करंट को समझती है और भिन्नता की भरपाई के लिए एमिटर करंट को समायोजित करती है। बीटा मुआवजा कलेक्टर वर्तमान अनुपात को बनाए रखता है।
चित्र 4. इंटेल स्ट्रैटिक्स 10 कोर फैब्रिक टेम्परेचर डायोड मैक्सिम इंटीग्रेटेड* के MAX31730 बीटा कंपनसेशन सक्षम के साथ
यह आंकड़ा दिखाता है कि बीटा मुआवजा सक्षम होने के साथ माप सटीकता हासिल की जाती है। माप एफपीजीए पावर डाउन स्थिति के दौरान लिए गए थे - सेट और मापा तापमान करीब होने की उम्मीद है।
0C है | 50C है | 100C है | |
बीटा मुआवजा बंद | 25.0625C है | 70.1875C है | 116.5625C है |
बीटा मुआवजा चालू | -0.6875C | 49.4375C है | 101.875C है |
विभेदक इनपुट संधारित्र
P और N पिन पर कैपेसिटर (CF) एक लो-पास फिल्टर की तरह काम करता है जो हाई फ्रीक्वेंसी के शोर को फिल्टर करने और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस (EMI) में सुधार करने में मदद करता है।
कैपेसिटर चयन के दौरान आपको सावधान रहना चाहिए क्योंकि बड़ी क्षमता स्विच किए गए वर्तमान स्रोत के उदय समय को प्रभावित कर सकती है और एक बड़ी माप त्रुटि पेश कर सकती है। आमतौर पर, तापमान संवेदन चिप निर्माता अपने डेटा शीट में अनुशंसित समाई मान प्रदान करता है। कैपेसिटेंस वैल्यू तय करने से पहले कैपेसिटर निर्माता के डिजाइन दिशानिर्देश या सिफारिश देखें।
चित्र 5. विभेदक इनपुट क्षमता
ऑफसेट मुआवजा
कई कारक एक साथ माप त्रुटि में योगदान कर सकते हैं। कभी-कभी, एकल प्रतिपूर्ति पद्धति लागू करने से समस्या का पूरी तरह से समाधान नहीं हो सकता है। माप त्रुटि को हल करने का एक अन्य तरीका ऑफ़सेट मुआवजा लागू करना है।
टिप्पणी: इंटेल अनुशंसा करता है कि आप अंतर्निहित ऑफ़सेट मुआवजे के साथ एक तापमान संवेदन चिप का उपयोग करें। यदि तापमान संवेदन चिप सुविधा का समर्थन नहीं करता है, तो आप कस्टम लॉजिक या सॉफ़्टवेयर के माध्यम से पोस्ट प्रोसेसिंग के दौरान ऑफ़सेट मुआवजा लागू कर सकते हैं।
ऑफसेट मुआवजा परिकलित त्रुटि को समाप्त करने के लिए तापमान संवेदन चिप से ऑफसेट रजिस्टर मान को बदलता है। इस सुविधा का उपयोग करने के लिए, आपको एक तापमान समर्थक प्रदर्शन करना होगाfile लागू करने के लिए ऑफ़सेट मान का अध्ययन करें और पहचानें।
आपको तापमान संवेदन चिप की डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स के साथ वांछित तापमान सीमा में तापमान माप एकत्र करना होगा। बाद में, निम्न उदाहरण के अनुसार डेटा विश्लेषण करेंample लागू करने के लिए ऑफ़सेट मान निर्धारित करने के लिए। इंटेल अनुशंसा करता है कि आप कई दूरस्थ तापमान डायोड के साथ कई तापमान संवेदन चिप्स का परीक्षण करें ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि आप भाग-से-भाग विविधताओं को कवर करते हैं। फिर, लागू करने के लिए सेटिंग्स निर्धारित करने के लिए विश्लेषण में माप औसत का उपयोग करें।
आप अपने सिस्टम ऑपरेशन की स्थिति के आधार पर परीक्षण करने के लिए तापमान बिंदुओं का चयन कर सकते हैं।
समीकरण 5. ऑफसेट फैक्टर
Exampले 2. इस उदाहरण में ऑफसेट मुआवजे का आवेदनampले, तापमान माप का एक सेट तीन तापमान बिंदुओं के साथ एकत्र किया गया था। समीकरण 5 को मानों पर लागू करें और ऑफसेट कारक की गणना करें।
तालिका 1. ऑफसेट मुआवजा लागू करने से पहले एकत्रित डेटा
तापमान सेट करें | मापा तापमान | ||
100° सेल्सियस | 373.15 के | 111.06° सेल्सियस | 384.21 के |
50° सेल्सियस | 323.15 के | 61.38° सेल्सियस | 334.53 के |
0° सेल्सियस | 273.15 के | 11.31° सेल्सियस | 284.46 के |
ऑफ़सेट तापमान की गणना करने के लिए तापमान सीमा के मध्य बिंदु का उपयोग करें। इस पूर्व मेंampले, मध्य बिंदु 50 डिग्री सेल्सियस निर्धारित तापमान है।
ऑफसेट तापमान
- = ऑफसेट कारक × (मापा गया तापमान-सेट तापमान)
- = 0.9975 × (334.53 - 323.15)
- = 11.35
ऑफसेट तापमान मूल्य और अन्य क्षतिपूर्ति कारकों को लागू करें, यदि आवश्यक हो, तापमान संवेदन चिप में और माप को फिर से लें।
तालिका 2. ऑफसेट मुआवजा लागू करने के बाद एकत्रित डेटा
तापमान सेट करें | मापा तापमान | गलती |
100° सेल्सियस | 101.06° सेल्सियस | 1.06° सेल्सियस |
50° सेल्सियस | 50.13° सेल्सियस | 0.13° सेल्सियस |
0° सेल्सियस | 0.25° सेल्सियस | 0.25° सेल्सियस |
संबंधित जानकारी
मूल्यांकन परिणाम
पुनः प्रदान करता हैview मैक्सिम इंटीग्रेटेड * और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स * तापमान संवेदन चिप्स के साथ ऑफसेट मुआवजा पद्धति के मूल्यांकन परिणामों का।
मूल्यांकन परिणाम
मूल्यांकन में, मैक्सिम इंटीग्रेटेड* की MAX31730 और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स* की TMP468 मूल्यांकन किट को Intel FPGA में कई ब्लॉकों के रिमोट तापमान डायोड के साथ इंटरफेस करने के लिए संशोधित किया गया था।
तालिका 3. मूल्यांकन ब्लॉक और बोर्ड मॉडल
अवरोध पैदा करना | तापमान संवेदन चिप मूल्यांकन बोर्ड | |
टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स 'TMP468 | मैक्सिम इंटीग्रेट डी का MAX31730 | |
इंटेल स्ट्रैटिक्स 10 कोर फैब्रिक | हाँ | हाँ |
एच-टाइल या एल-टाइल | हाँ | हाँ |
ई-टाइल | हाँ | हाँ |
पी-टाइल | हाँ | हाँ |
निम्नलिखित आंकड़े मैक्सिम इंटीग्रेटेड और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स मूल्यांकन बोर्डों के साथ इंटेल एफपीजीए बोर्ड की स्थापना दिखाते हैं।
चित्र 6. मैक्सिम इंटीग्रेट डी के MAX31730 मूल्यांकन बोर्ड के साथ सेटअप
चित्र 7. टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स के TMP468 मूल्यांकन बोर्ड के साथ सेटअप करें
- एक थर्मल फोर्सर - या वैकल्पिक रूप से, आप एक तापमान कक्ष का उपयोग कर सकते हैं - FPGA को कवर और सील कर सकते हैं और निर्धारित तापमान बिंदु के अनुसार तापमान को मजबूर कर सकते हैं।
- इस परीक्षण के दौरान, एफपीजीए गर्मी पैदा करने से बचने के लिए अप्रशिक्षित स्थिति में रहा।
- प्रत्येक तापमान परीक्षण बिंदु के लिए सोखने का समय 30 मिनट था।
- मूल्यांकन किट पर सेटिंग्स ने निर्माताओं से डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स का उपयोग किया।
- सेटअप के बाद, डेटा संग्रह और विश्लेषण के लिए पृष्ठ 10 पर ऑफसेट मुआवजे के चरणों का पालन किया गया।
मैक्सिम इंटीग्रेटेड के MAX31730 तापमान सेंसिंग चिप मूल्यांकन बोर्ड के साथ मूल्यांकन
यह मूल्यांकन ऑफसेट मुआवजा में वर्णित सेटअप चरणों के साथ आयोजित किया गया था।
ऑफसेट मुआवजा लागू करने से पहले और बाद में डेटा एकत्र किया गया था। अलग-अलग इंटेल एफपीजीए ब्लॉकों पर अलग-अलग ऑफसेट तापमान लागू किया गया था क्योंकि सभी ब्लॉकों पर एक ऑफसेट मूल्य लागू नहीं किया जा सकता है। निम्नलिखित आंकड़े परिणाम दिखाते हैं।
चित्र 8. इंटेल स्ट्रैटिक्स 10 कोर फैब्रिक के लिए डेटा
चित्र 9. इंटेल एफपीजीए एच-टाइल और एल-टाइल के लिए डेटा
चित्र 10. इंटेल एफपीजीए ई-टाइल के लिए डेटा
चित्र 11. इंटेल एफपीजीए पी-टाइल के लिए डेटा
टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स के TMP468 तापमान सेंसिंग चिप मूल्यांकन बोर्ड के साथ मूल्यांकन
यह मूल्यांकन ऑफसेट मुआवजा में वर्णित सेटअप चरणों के साथ आयोजित किया गया था।
ऑफसेट मुआवजा लागू करने से पहले और बाद में डेटा एकत्र किया गया था। अलग-अलग इंटेल एफपीजीए ब्लॉकों पर अलग-अलग ऑफसेट तापमान लागू किया गया था क्योंकि सभी ब्लॉकों पर एक ऑफसेट मूल्य लागू नहीं किया जा सकता है। निम्नलिखित आंकड़े परिणाम दिखाते हैं।
चित्र 12. इंटेल स्ट्रैटिक्स 10 कोर फैब्रिक के लिए डेटा
चित्र 13. इंटेल एफपीजीए एच-टाइल और एल-टाइल के लिए डेटा
चित्र 14. इंटेल एफपीजीए ई-टाइल के लिए डेटा
चित्र 15. इंटेल एफपीजीए पी-टाइल के लिए डेटा
निष्कर्ष
कई अलग-अलग तापमान संवेदन चिप निर्माता हैं। घटक चयन के दौरान, इंटेल दृढ़ता से अनुशंसा करता है कि आप निम्न विचारों के साथ तापमान संवेदन चिप का चयन करें।
- कॉन्फिगरेबल आइडियलिटी फैक्टर फीचर वाली चिप का चयन करें।
- एक चिप का चयन करें जिसमें श्रृंखला प्रतिरोध रद्दीकरण हो।
- एक चिप का चयन करें जो बीटा मुआवजे का समर्थन करता है।
- कैपेसिटर का चयन करें जो चिप निर्माता की सिफारिशों से मेल खाता हो।
- तापमान समर्थक प्रदर्शन करने के बाद कोई उचित मुआवजा लागू करेंfile अध्ययन।
कार्यान्वयन के विचार और मूल्यांकन के परिणामों के आधार पर, माप सटीकता प्राप्त करने के लिए आपको अपने डिजाइन में तापमान संवेदन चिप का अनुकूलन करना चाहिए।
एएन 769 के लिए दस्तावेज़ संशोधन इतिहास: इंटेल एफपीजीए रिमोट टेम्परेचर सेंसिंग डायोड इम्प्लीमेंटेशन गाइड
दस्तावेज़ संस्करण | परिवर्तन |
2022.04.06 |
|
2021.02.09 | प्रारंभिक रिहाई। |
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इंटेल एएन 769 एफपीजीए रिमोट टेम्परेचर सेंसिंग डायोड [पीडीएफ] उपयोगकर्ता गाइड AN 769 FPGA रिमोट टेम्परेचर सेंसिंग डायोड, AN 769, FPGA रिमोट टेम्परेचर सेंसिंग डायोड, रिमोट टेम्परेचर सेंसिंग डायोड, टेम्परेचर सेंसिंग डायोड, सेंसिंग डायोड |