為超低功耗傳感器應(yīng)用設(shè)計電路

作者：Bradley Albing 時間：2025-04-10 來源：eeworld online

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監(jiān)測機械和生物系統(tǒng)的傳感器通常必須從被感應(yīng)的物體中獲取電力。此處顯示的振蕩器電路允許您作這些傳感器。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202504/469280.htm

連接到熱電偶、電磁機械-電傳感器和壓電機械-電傳感器的傳感器電路通常使用通過太陽能電池和其他來源的能量收集供電的振蕩器。這些電源可以產(chǎn)生微瓦到毫瓦的電壓，電壓水平為數(shù)十或數(shù)百毫伏 [1-4]。由這些來源供電的傳感器監(jiān)測各種生物功能和工業(yè)條件，例如血壓、心率、血氧水平和酶水平。機械示例包括溫度、壓力、電流消耗和振動。

許多信號調(diào)理系統(tǒng)包括振蕩器、包含頻率選擇網(wǎng)絡(luò)的放大器，以及將其輸出的同相部分反饋給其輸入的方法。通過將其配置為電壓升壓器，您可以將振蕩器用作開關(guān)模式電源（SMPS）的核心。當系統(tǒng)包含不會在毫伏級別工作的電路時，這很有用。一旦電壓升壓，可充電電池或超級電容器支持短期、高電流消耗水平。此配置的典型用途是將使用情況信息從燃氣表和水表（住宅和商業(yè)公用事業(yè)）傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)收集單元的數(shù)據(jù)發(fā)射器。

您需要具有非常低 input thresholds 的器件，以使這些電路在低電壓下工作。硅雙極晶體管的輸入端通常需要大約 600 mV （V_是或與發(fā)射器相關(guān)的堿基）以建立足夠的基極電流以將器件移動到其有源區(qū)域（允許它們放大）。另一方面，耗盡型 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）可以在明顯較低的閾值（V_{GS-OFF 系列}或柵極-源極夾斷電壓）。典型閾值范圍為 20 mV 至 100 mV，因此您可以構(gòu)建在相應(yīng)較低電源電壓下工作的電路。

讓我們仔細看看一些典型的振蕩器電路。首先，考慮一個使用雙極晶體管的簡單振蕩器電路。圖 1 中的電路是使用 2N3904 NPN 晶體管的通用基極射頻振蕩器。圖 2 顯示了 LTSpice 生成的輸出 [5]。經(jīng)計算，振蕩頻率約為 87 MHz。添加 C4-R3-R2 網(wǎng)絡(luò)是為了對電路進行原型設(shè)計并為示波器探頭提供一些隔離。

圖 1.在這個共基振蕩器電路中，同相反饋位于 Q1 的集電極和發(fā)射極之間。圖 2.此 LTSpice 仿真顯示了 circuit 的 output。

我把它建在一個小電路板上，以確認電路的性能和以下電路的性能。圖 3 顯示了我的一些測試板。

圖 3.這些是作者構(gòu)建的一些測試板，用于提供模擬的真實確認。

Figure 1 電路可在低至 1.0 VDC 的電壓下工作。測得的振蕩頻率約為 91 MHz。

Hartley 振蕩器

我模擬了另一個單晶體管電路，這次是 Hartley 振蕩器，如圖 4 所示。LTSpice 仿真輸出如圖 5 所示。經(jīng)計算，振蕩頻率約為 14 MHz?？紤]到 L1-L2-C1 油箱電路的值，它比您乍一看預(yù)期的要低。C3 和 Q1 對諧振電路的負載相當大。

圖 4.這個Hartley振蕩器使用一個帶螺紋的電感器（L1和L2）來提供從Q1的發(fā)射器到Q1的基極的反饋。假設(shè) L1-L2 耦合系數(shù)為 0.99。圖 5.LTSpice 仿真顯示電路的輸出。

我對這個電路進行了基準測試，發(fā)現(xiàn)它可以在低至 0.8 VDC 的電壓下工作。測得的輸出頻率約為 17 MHZ。

Colpitts oscillator （科爾皮茨振蕩器）

以上述電路為起點，考慮使用 N 溝道耗盡型結(jié) FET （N-JFET）的類似拓撲。圖 6 顯示了一個電路，類似于圖 4 中的 Hartley 振蕩器。這是一個 Colpitts 振蕩器，用于交換頻率確定槽中的電抗器件：抽頭電感器變?yōu)閮蓚€電容器，電容器變?yōu)殡姼衅鳌Ｎ姨砑恿?D1 作為箝位，以防止 FET 柵源（正向）電流過大。

圖 6.這款Colpitts振蕩器使用一個“螺紋”電容器（C1和C2）來提供從Q1的源到Q1的門的反饋。

我使用 LSK170 的內(nèi)置模型在 LTSpice 中仿真了電路。當工作電壓指定為 1.0 VDC 時，圖 7 中的模擬輸出似乎顯示了預(yù)期的高頻，但其總和頻率較低。

圖 7.Colpitts 振蕩器根據(jù) LTSpice 生成的模擬輸出。

作為完整性檢查，我重新繪制了電路并在 QSpice [6] 中對其進行了仿真。參見圖 8。

圖 8.這與圖 6 中的 Colpitts 振蕩器相同，只是在 QSpice 中繪制。

模擬輸出如圖 9 所示。輸出不再具有特殊的 lower frequency 內(nèi)容。計算出的工作頻率約為 44 MHz。

圖 9.QSpice 生成的模擬輸出顯示了 Colpitts 振蕩器的輸出。

我使用 InterFET IF170 [7] 構(gòu)建并測試了這個電路。它以 96 MHz 的頻率振蕩，最小施加電壓為 1.1 VDC。為了確保這不是特定于制造商的，我用 Linear Systems LSK170A 替換了 JFET 并重復(fù)測試 [8]。它在 89 MHz 下振蕩，施加的電壓為 770 mV。

請注意輸出端的 1.0 MΩ 電阻。如前所述，我添加此函數(shù)是為了最大程度地減少示波器探頭對振蕩器的負載。

我模擬的下一個電路（再次在 QSpice 中）是 Hartley 振蕩器，這次以低得多的頻率運行。參見圖 10。計算出的作頻率約為 2.99 MHz。

圖 10.這個Hartley振蕩器使用一個帶螺紋的電感器（L1和L2）來提供從Q1的源到Q1的門的反饋。所示電感基于手動繞線電感器，在 7.8 kHz 下測量。

仿真輸出如圖 11 所示。

圖 11.QSpice 生成的模擬輸出顯示了 Hartley 振蕩器的輸出。

我使用 InterFET IF170構(gòu)建并測試了此電路。我將電感器手工纏繞在我從 Bourns 1120-1ROM-RC 功率電感器中回收的鐵氧體磁芯上。它以大約 2.8 MHz 的頻率振蕩，最小施加電壓為 340 mVDC（圖 12）。我用 Linear Systems LSK170A 替換了 FET，并重復(fù)了測試。它在 2.5 MHz 下振蕩，施加的電壓為 130 mV（圖 13）。

圖 12.這是使用 InterFET IF170 JFET 的 Hartley 振蕩器的輸出。圖 13.這是使用 Linear Systems LSK170A的同一振蕩器的輸出。

帶變壓器的振蕩器

我模擬了最后一個振蕩器電路（再次在 QSpice 中）——這次是一個以低得多的頻率運行的阻塞振蕩器。參見圖 14。

圖 14.在此阻塞中，初級和次級電感值適用于在 7.8 kHz 下測量的小型音頻輸出變壓器。

計算出的作頻率約為 11.4 kHz。請注意，我沒有選擇以前使用的 L1-L2 標號，而是選擇了 L_pri和 L_秒向我保證我正在正確地將被測變壓器插入我的測試板_.參見圖 15。

圖 15.此測試設(shè)置使我能夠快速輕松地更改我的 transformer-under-test。所示的兩個設(shè)備提供了最有趣的結(jié)果，盡管我測試了其他幾個小型輸出變壓器。

仿真結(jié)果如圖 16 所示，使用初級和次級電感，基于 Z103×5 輸出變壓器的測量結(jié)果，在 7.8 kHz 下測量。

圖 16.根據(jù) QSpice，該模擬輸出由圖 14 所示的阻塞振蕩器產(chǎn)生。

我構(gòu)建并測試了這個電路，并評估了幾種不同的變壓器。最好的結(jié)果來自兩個特定的變壓器：

首先，一個便宜的音頻變壓器，標有 Z103*5，作為 1300：1 匝數(shù)比音頻輸出變壓器從亞馬遜出售;在 7.8 kHz 時測得的初級電感為 113 mH;在 7.8 kHz 時測得的次級電感為 3.0 mH。使用 InterFET IF170，它在 145 mV 的電源電壓下以大約 10.2 kHz 的頻率振蕩（圖 17）。

圖 17.這是使用音頻輸出變壓器和 InterFET IF170 的阻塞振蕩器的輸出。