為超低功耗傳感器應用設計電路

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

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(guò)太陽(yáng)能電池和其他來(lái)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，電壓水平為數十或數百毫伏 [1-4]。由這些來(lái)源供電的傳感器監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(dòng)。

許多信號調理系統包括振蕩器、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(guò)將其配置為電壓升壓器，您可以將振蕩器用作開(kāi)關(guān)模式電源 （SMPS） 的核心。當系統包含不會(huì )在毫伏級別工作的電路時(shí)，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)）傳輸到中央數據收集單元的數據發(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(dòng)到其有源區域（允許它們放大）。另一方面，耗盡型 N 溝道結型場(chǎng)效應晶體管 （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，因此您可以構建在相應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(gè)使用雙極晶體管的簡(jiǎn)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(jìn)行原型設計并為示波器探頭提供一些隔離。

圖 1.在這個(gè)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(gè)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.這些是作者構建的一些測試板，用于提供模擬的真實(shí)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(gè)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，它比您乍一看預期的要低。C3 和 Q1 對諧振電路的負載相當大。

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

我對這個(gè)電路進(jìn)行了基準測試，發(fā)現它可以在低至 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(diǎn)，考慮使用 N 溝道耗盡型結 FET （N-JFET） 的類(lèi)似拓撲。圖 6 顯示了一個(gè)電路，類(lèi)似于圖 4 中的 Hartley 振蕩器。這是一個(gè) 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€(gè)電容器，電容器變?yōu)殡姼衅?。我添加?D1 作為箝位，以防止 FET 柵源（正向）電流過(guò)大。

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

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

圖 7.Colpitts 振蕩器根據 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(jìn)行了仿真。參見(jiàn)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] 構建并測試了這個(gè)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(gè)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(jiàn)圖 10。計算出的作頻率約為 2.99 MHz。

圖 10.這個(gè)Hartley振蕩器使用一個(gè)帶螺紋的電感器（L1和L2）來(lái)提供從Q1的源到Q1的門(mén)的反饋。所示電感基于手動(dòng)繞線(xiàn)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(gè)振蕩器電路（再次在 QSpice 中）——這次是一個(gè)以低得多的頻率運行的阻塞振蕩器。參見(jiàn)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(méi)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(jiàn)圖 15。

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

仿真結果如圖 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果，在 7.8 kHz 下測量。

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

我構建并測試了這個(gè)電路，并評估了幾種不同的變壓器。最好的結果來(lái)自?xún)蓚€(gè)特定的變壓器：

首先，一個(gè)便宜的音頻變壓器，標有 Z103*5，作為 1300：1 匝數比音頻輸出變壓器從亞馬遜出售;在 7.8 kHz 時(shí)測得的初級電感為 113 mH;在 7.8 kHz 時(shí)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。

使用 Linear Systems LSK170A并重復測試，它在施加 60 mV 的電壓下以 8.3 kHz 振蕩（圖 18）。

圖 18.這是使用 Linear Systems LSK170A的同一振蕩器的輸出。

第二，一個(gè)小型射頻變壓器（最初用作 AM 無(wú)線(xiàn)電 IF 變壓器）;在 7.8 kHz 時(shí)測得的初級電感為 483 μH;在 7.8 kHz 時(shí)測得的次級電感為 0.86 μH。使用 InterFET IF170，它在 25 mV 的電源電壓下以大約 1.4 MHz 的頻率振蕩（圖 19）。

圖 19.這是使用小型 RF 變壓器和 InterFET IF170 的阻塞振蕩器的輸出。

使用 Linear Systems LSK170A并重復測試，我發(fā)現電路在 20 mV 的外加電壓下以 1.2 MHz 的頻率振蕩（圖 20）。

圖 20.這是使用 Linear Systems LSK170A的同一振蕩器的輸出。

實(shí)際應用

下面是圖 14 中的電路，它使用射頻變壓器，由蠟燭照亮的太陽(yáng)能電池供電（輸出約為 1 英尺蠟燭）。太陽(yáng)能電池輸出約為 80 mVDC。輸出波形與圖 19 和圖 20 所示的波形非常相似，但幅度略高。

圖 21.當我進(jìn)行太陽(yáng)能電池測試時(shí)，我在工作臺上的物理設置使用蠟燭作為光源。

圖 22 顯示了使用從酒精燃燒器加熱的“30 mV”K 型熱水器熱電偶的類(lèi)似設置。熱電偶輸出約為 25 mVDC。輸出波形與圖 19 和圖 20 中所示的非常相似。

圖 22.這個(gè)測試設置讓我測試了一個(gè)熱電偶。

在如此低的電壓下獲得良好性能的關(guān)鍵是選擇具有非常低柵源極夾斷電壓的 JFET。對于大批量生產(chǎn)訂單，讓 JFET 制造商選擇或制造具有您所需規格的零件可能很實(shí)用。