TS3001-TS3002, Osciladores CMOS de ultra-bajo consumo

Hace pocos meses te adelantamos la salida al mercado de dos circuitos integrados CMOS que funcionaban como un oscilador muy estable y que prometían un funcionamiento a 1 voltio y un consumo de 1 µA. Estos valores hablan de un consumo ultra-bajo, que lo hacen ideal para aplicaciones móviles con alimentación a baterías, y entre los ejemplos de uso más apropiados que podríamos encontrarles habría miles (sería como hablar de una aplicación para el NE555). Gracias a la gente de Touchstone Semiconductor, que nos envió un par de placas de ensayo con el TS3001 y el TS3002, decidimos comprobar las características enunciadas en el artículo anterior. Aquí están los resultados.

Preparación de los ensayos

A los pocos días de publicar aquí, en NeoTeo, la noticia de la salida al mercado de esta línea de osciladores de ultra-bajo consumo, hicimos el correspondiente pedido de muestras gratis y fuimos muy bien atendidos por el Sr. Adolfo García, de Touchstone Semiconductor, que nos envió, además de algunas muestras gratis, un par de placas de ensayo con los circuitos integrados ya montados y con todo lo necesario para comenzar a trabajar.

Lo primero que hicimos fue atender los aspectos más importantes que destacaban los anuncios de la empresa: disponer de circuitos de alimentación capaces de entregar tensiones de entre 1 y 1,5 voltios y poder controlar el consumo de corriente, para comprobar las posibilidades que brindan los circuitos TS3001 y TS3002 de ser incorporados en dispositivos donde la eficiencia energética es un factor fundamental de diseño.

Para la ocasión preparamos dos opciones muy sencillas y rápidas: una batería AA de 1,5 voltios, que sería una de las fuentes de energía, y otra batería, esta vez una del tipo CR2032 (3 voltios), a la que le conectamos dos resistencias en serie, de alto valor óhmico, intentando limitar la corriente a valores cercanos a solo una docena de microamperios. Este era uno de los ensayos más esperados, ya que, en nuestro criterio, se aproximaba más a las aplicaciones clásicas que solemos ver en electrónica de bajo consumo energético.

Resultados con el TS3001

Con la primera opción comprobamos el funcionamiento y la estabilidad de la placa de ensayo del TS3001, y fue muy notorio y, a su vez, satisfactorio el comportamiento del sistema. Observamos detalles específicos entre los que podemos mencionar la forma de onda de la señal obtenida en las salidas PWM_OUT y F_OUT, la posibilidad de regulación del PWM en el pin correspondiente y la estabilidad de frecuencia; en todos los casos, los resultados fueron sorprendentes y fueron más allá de lo especificado en la hoja de datos de la placa de prueba.

Entre los puntos destacados del funcionamiento de la placa de pruebas del TS3001, pudimos observar que la variación del ciclo de trabajo se amplía más allá de los límites especificados del 12 % y el 90 %. Esto ofrece mayores posibilidades en controles de iluminación (PWM variable) o para el control de velocidad de motores, por mencionar algunos casos.

Sin embargo, durante este primer ensayo, lo más sorprendente fue la estabilidad de frecuencia lograda y obtenida, considerando que estábamos trabajando con un “oscilador libre”. Por lo general, la estabilidad en frecuencia de cualquier oscilador libre viene dada por la estabilidad de temperatura y de tensión de alimentación, aunque el mismo funcionamiento, los cambios de estados en la salida y la variación del ciclo de trabajo (PWM) en su salida provocan siempre una variación en la frecuencia de salida. Con total y absoluta sorpresa, las variaciones obtenidas en las lecturas se ubicaban en el orden de los 5 a 6 ciclos: apenas un 0,016 % si consideramos una frecuencia de casi 25 kHz (25.000 ciclos por segundo). Las variaciones importantes se encontraban al manipular y tocar los circuitos o cambiarlos de lugar. Además, la “carga” que significaron el medidor de frecuencias y el osciloscopio influyeron en las mediciones realizadas.

Resultados con el TS3002

Durante el ensayo de la placa TS3002 prestamos especial atención al consumo energético del sistema. Para esta placa trabajamos con la batería del tipo CR2032 y el divisor resistivo (visto en el circuito inicial), que nos garantizaba una corriente del orden de los microamperios, casi al límite de las posibilidades de medición de nuestro multímetro.

En este caso, los valores de consumo coincidieron con los expresados en las hojas de datos: bajamos a menos de 4 microamperios al desconectar el medidor de frecuencias, y hubiera sido posible una reducción aún mayor al quitar la carga del osciloscopio que se encontraba conectado a la salida PWM_OUT. Recordemos que, para no “cargar” con una baja impedancia la salida F_OUT al conectarle el frecuencímetro, mantuvimos en ambos ensayos el intercalado de una resistencia de 270 kΩ.

En esta nueva experiencia, hecha con el TS3002, la estabilidad de frecuencia se mantuvo de manera notable. Cuando otros osciladores libres, trabajando a más de 20 kHz, hubieran tenido una deriva de varias centenas de ciclos, las placas de Touchstone Semiconductor apenas esbozaban pequeñas variaciones menores a 6 ciclos, es decir, ±3 Hz.

Aplicaciones y consideraciones finales

Para el aficionado, el encapsulado TDFN de 2 milímetros por lado puede transformar la aplicación en una misión muy difícil de llevar adelante; sin embargo, para la industria electrónica, la aplicación de este dispositivo puede brindar múltiples soluciones donde el bajo consumo, el reducido tamaño y la estabilidad de frecuencia sean un factor fundamental.

Tal como mencionamos en los videos, frecuencias de 90 o 100 kHz son las más utilizadas para construir un medidor de ESR, y frecuencias mayores a 20 kHz se emplean en PWM para control de velocidad de motores. Con estos circuitos integrados, estos controles podrían implementarse sin el uso de un microcontrolador o de un circuito específico como los que vemos alrededor de un NE555; aquí el control PWM es “nativo” en el componente.

Agregar un resistor variable en el pin de control del oscilador nos habría permitido ensayar la estabilidad más allá del valor constante de frecuencia que ofrece una resistencia fija. De todos modos, valores útiles como 38 kHz, para trabajar con infrarrojos, o 40 kHz, para operar sensores ultrasónicos del tipo SFR05, pueden aplicarse sin necesidad de un control variable, ya que serán utilizados siempre en una frecuencia fija. Es decir, nos hubiera gustado tenerlo para ensayarlo, pero en la práctica y en el uso específico esto no es necesario.

Por último, podemos agregar que, por tratarse de un producto de características conocidas como “nano-power” o de ultra-bajo consumo de energía, la activación de circuitos conectados a sus salidas deberá ser realizada por elementos semiconductores del tipo de puerta aislada (MOSFET). Esto puede hacerse mediante puertas lógicas que permitan elevar la tensión de la señal de oscilación de salida, o con pequeños transistores; en ambos casos, no solo presentarán la elevada impedancia que los sistemas TS3001 y TS3002 necesitan, sino que además se encargarán de conectar al mundo exterior a este pequeño gigante de sobresalientes características y un desempeño funcional notable, casi comparable a los sistemas osciladores de lazo cerrado o manejados por resonadores cerámicos.

¿Ya has ensayado este circuito y has descubierto alguna característica que puedas agregar a nuestro análisis? Esperamos tus comentarios aquí, o en el Foro de Electrónica de NeoTeo, para seguir descubriendo aplicaciones posibles para este nano-oscilador ultra-estable de Touchstone Semiconductor.