Вас приветствует Интернет конференция!
Приветствуйем на нашем сайте
ОПТИМІЗАЦІЯ ЧАСТОТНО-ЗАЛЕЖНИХ ТЕМПЕРАТУРНИХ ДАВАЧІВ ДЛЯ АВТОНОМНИХ СЕНСОРНИХ СИСТЕМ МОНІТОРИНГУ
12.04.2025 13:14
[ 3. Nauki techniczne]
Автор: Малюк Олександр Сергійович, аспірант, Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця
ORCID 0009-0002-5779-6241
Розвиток автономних сенсорних систем, зокрема в контексті (IoT), вимагає створення високоточних, енергоефективних та малих за масштабом сенсорів, здатних працювати в широкому діапазоні температур [1]. У таких системах особливо актуальними є частотно-залежні давачі температури, які дозволяють уникнути необхідності в аналогово-цифровому перетворенні [2], зменшити кількість компонентів, а також спростити інтерфейс з мікроконтролерами або бездротовими модулями.
У даній роботі розглянуто оптимізацію конструкції та параметрів мікроелектронного температурного сенсора з частотним виходом, побудованого на основі PTAT генератора струму. Схема реалізована за допомогою CMOS технології 180 нм та інтегрована в релаксаційний генератор, який формує вихідний сигнал у вигляді частоти. Основна увага приділена зменшенню похибки, зниженню енергоспоживання та покращенню стабільності роботи при довготривалому використанні в автономному режимі [3].
Структура сенсора
Сенсор складається з PTAT-генератора, що формує струм, пропорційний абсолютній температурі, та релаксаційного генератора, який перетворює цей струм у частоту. Для зменшення впливу флуктуацій напруги живлення застосовано стабілізатор на основі каскадної структури. Додатково, для компенсації температурного дрейфу на етапі формування струму реалізовано термокомпенсаційну петлю зі зворотним зв’язком [4].
Методи оптимізації
Оптимізація сенсора здійснювалась за кількома напрямами:
-мінімізація статичних і динамічних споживань енергії шляхом роботи транзисторів у підпороговій області;
-використання диференційних вузлів для зменшення шумів та підвищення стабільності;
-корекція температурної нелінійності шляхом цифрової апроксимації кривої залежності частоти від температури [5];
-застосування глибокої ізоляції для зменшення паразитних струмів у високотемпературному середовищі.
Експериментальні результати
За результатами моделювання отримано:
-робочий температурний діапазон: –40°C … +125°C;
-лінійність частотного виходу: до ±0.4% у всьому діапазоні;
-чутливість: близько 120 Гц/°C при 25°C;
-середнє енергоспоживання: < 4.7 мкВт при 1.8 В живлення;
-точність: ±0.65°C без калібрування, ±0.2°C після цифрової корекції [6];
-дрейф при температурі 85°C протягом 30 днів: не перевищує ±1.2°C. Проведено температурні цикли – від –40°C до +125°C з інтервалом 10°C.
Похибка вимірювалась частотоміром з точністю 10 мГц. Для оцінки довготривалої стабільності виконано прискорене старіння з витримкою 200 годин при 125°C. Усі зразки зберегли стабільність частоти в межах ±1.5%.
Порівняння з аналогами
У таблиці 1 представлено порівняння розробленого сенсора з аналогічними рішеннями [1-2].
Висновок
Розроблений температурний сенсор із частотним виходом показав високі метрологічні характеристики при дуже низькому енергоспоживанні, що робить його перспективним для автономних сенсорних систем, зокрема для IoT-пристроїв, медичних носимих пристроїв та бездротових модулів моніторингу. Запропоновані методи оптимізації дозволили суттєво покращити точність, зменшити енергоспоживання та забезпечити стабільність роботи у широкому температурному діапазоні без необхідності в складних схемах калібрування або зовнішніх перетворювачах.
Література
1.Pertijs, M.A.P., Huijsing, J.H. Precision temperature sensors in CMOS technology. – Dordrecht : Springer, 2006. – 292 p.
2.Souri, K., Chae, Y., Makinwa, K.A.A. A CMOS Temperature Sensor with a Voltage Output.
// IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2013. – Vol. 48, No. 12. – P. 3010–3017.
3.Малюк, О., Мартинюк, В. Порівняльний аналіз сенсорів температури // Measuring and Computing Devices in Technological Processes. – 2025. – № 2. – С. 21–26.
4.Chen, D., Li, S., Wang, J. A CMOS Temperature Sensor for SoC Thermal Monitoring // IEEE Sensors Journal. – 2015. – Vol. 15, No. 9. – P. 5266–5273.
5.Abeysinghe, B., Rincon-Mora, G.A., & others. CMOS temperature sensors with frequency output // IEEE Trans. on Circuits and Systems. – 2021. – Vol. 68, No. 4. – P. 912–920.
6.Малюк, О. Давач температури на основі перетворення температури в частоту з похибкою +0.65 / –0.49 °C // Вісник ВНТУ. – 2023. – № 4. – С. 88–92.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter
Другие научные работы даной секции
Конференции
Конференции 2025
Конференции 2024
Конференции 2023
Конференции 2022
Конференции 2021
