Congratulation from Internet Conference!
Hello
ВИКОРИСТАННЯ КІЛЬЦЕВИХ ГЕНЕРАТОРІВ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ
27.10.2025 18:26
[3. Technical sciences]
Author: Малюк Олександр Сергійович, аспірант, Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця
ORCID: 0009-0002-5779-6241
Сучасні мікроелектронні сенсори температури розвиваються у напрямі підвищення точності, зниження енергоспоживання та інтеграції з цифровими системами. Одним із найбільш ефективних підходів є використання частотно-залежних давачів, у яких температура визначається за зміною частоти генерації. Такі сенсори мають високу завадостійкість і не потребують складних аналогових перетворювачів. Особливу увагу в останні роки привертають структури на основі кільцевих генераторів, що поєднують простоту реалізації, малі розміри і можливість роботи в широкому діапазоні температур.
Використання кільцевих генераторів у складі сенсорів дозволяє формувати частоту, пропорційну температурі, без зовнішніх компонентів. Завдяки цьому досягається висока стабільність роботи навіть у компактних мікросхемах, що є важливим для автономних систем моніторингу, IoT-пристроїв та медичних сенсорів для носимих технологій. У цій роботі представлено результати дослідження кільцевого генератора як базового елемента частотно-чутливого сенсора температури, а також проаналізовано його точність, стабільність і енергоспоживання.
Структура сенсора
Запропонована структура сенсора складається з температурно-залежного генератора струму, який формує сигнал, пропорційний абсолютній температурі, та кільцевого генератора з семи інверторів, що перетворює цей струм у частоту. Для зменшення впливу шумів і дрейфу використано диференціальну схему живлення та стабілізатор з каскадним підсилювачем. Додатково реалізовано компенсаційний контур, який забезпечує постійну амплітуду коливань у всьому робочому діапазоні температур.
У схемі застосовано глибоку ізоляцію підкладки, що дозволило знизити паразитні струми та покращити точність вимірювань у високотемпературному середовищі. Для моделювання характеристик сенсора використовувався технологічний процес з мінімальним розміром 130 нанометрів, який забезпечує оптимальний баланс між споживанням енергії та стабільністю частоти.
Методи оптимізації
Моделювання проводилось у середовищі Cadence з використанням статистичного PVT-аналізу. Діапазон робочих температур становив від –50 до +150 °C, а напруга живлення змінювалась від 1.5 до 2.1 В. Для оцінки температурної чутливості проводилось 20 ітерацій симуляцій при різних варіаціях технологічних параметрів.
Середня частота при 25 °C становила 2.36 мегагерца, при цьому температурна чутливість склала близько 185 герц на градус Цельсія. Після введення компенсації похибка вимірювання зменшилась до ±0.28 °C. Енергоспоживання сенсора при напрузі 1.8 В становить 3.9 мікровата, що робить його придатним для автономних систем живлення від енергозбиральних джерел.
Результати дослідження
Залежність частоти від температури виявилась лінійною в усьому діапазоні (коефіцієнт лінійності R² = 0.999). При зміні напруги живлення на ±10% від номінального значення відхилення частоти не перевищувало 0.3%. У порівнянні з традиційними RC-генераторами кільцевий генератор показав у 1.6 раза вищу стабільність при тому ж рівні енергоспоживання.
Додатково проведено дослідження впливу кількості інверторів на температурну характеристику. При використанні трьох інверторів частота генерації при 25 °C становила 4.8 мегагерца, а при дев’яти — 1.5 мегагерца. Оптимальною виявилась конфігурація із сімома інверторами, яка забезпечила найкращий баланс між чутливістю, шумовою стабільністю та енергоспоживанням.
Порівняння з аналогами
У таблиці 1 представлено порівняння різних типів сенсорів температури.
Таблиця 1.
Результати демонструють переваги кільцевого генератора у співвідношенні точність/енергоспоживання, що робить його одним із найперспективніших рішень для сенсорів з обмеженими енергоресурсами.
Перспективи застосування у медичних сенсорних пристроях
Завдяки низькому споживанню енергії та високій точності кільцеві сенсори температури мають великі перспективи застосування у медичних пристроях, зокрема у системах моніторингу життєвих показників, носимих термоконтролерах та імплантованих мікросенсорах. Висока лінійність температурної характеристики дозволяє використовувати такі сенсори для контролю локальної температури тіла без складної цифрової обробки.
Крім того, їхня сумісність із біосумісними матеріалами та можливість інтеграції з мікропроцесорними контролерами відкриває шлях до створення повністю автономних медичних сенсорів нового покоління. Запропонована архітектура може бути адаптована для вимірювання температури шкіри, органів або тканин із похибкою менше ±0.3 °C, що відповідає клінічним вимогам до точності моніторингу.
Висновок
Дослідження показало, що кільцеві генератори є ефективним рішенням для реалізації високоточних, малопотужних сенсорів температури. Оптимізація кількості інверторів, застосування температурної компенсації та стабілізації живлення забезпечують точність вимірювань ±0.28 °C у діапазоні –50…+150 °C при споживанні менше 4 мікроват. Такі сенсори можуть успішно використовуватись у портативних, медичних та промислових системах моніторингу, що потребують високої стабільності та тривалого автономного функціонування.
Література
1. El-Zarif, N. et al. Calibration of Ring Oscillator-Based Integrated Temperature Sensors for Power Management Systems. Sensors, 2024, 24(2), 440. DOI: https://doi.org/10.3390/s24020440
2. Rinaldi, N. et al. A 4H-SiC CMOS Oscillator-Based Temperature Sensor Operating from 298 K up to 573 K. Sensors, 2023, 23(24), 9653. DOI: https://doi.org/10.3390/s23249653
3. Xu, Z. et al. A Temperature-to-Frequency Converter-Based On-Chip Temperature Sensor with an Inaccuracy of +0.65 °C/-0.49 °C. Micromachines, 2023. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10255605/
4. Meng, T., Xu, C. A Cross-Coupled-Structure-Based Temperature Sensor with Reduced Process Variation Sensitivity. Journal of Semiconductors, 2009, 30(4), 045002. DOI: https://doi.org/10.1088/1674-4926/30/4/045002
5. Lau, Y.Y. et al. A Trimming-Free, Sub-1 μW CMOS Smart Temperature Sensor for IoT Applications. IEEE Sensors Journal, 2022. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3225870
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter
Сonferences
Conference 2025
Conference 2024
Conference 2023
Conference 2022
Conference 2021
