Микромощные беспроводные электронные датчики для систем мониторинга окружающей среды

• Автор: Богданов, Сергей Петрович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Орел
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Перечень принятых сокращений
АД - амплитудный детектор;
АЗУ - аналоговое запоминающее устройство;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
БЭД - беспроводный электронный датчик;
БОД - блок обработки данных;
БП - блок питания;
БТ - биполярный транзистор;
БУ - блок управления;
ГИ - генератор импульсов;
ДУ - дифференциальный усилитель;
ИОН - источник опорного напряжения;
КМОП - комплементарный металл-оксид-полупроводник ЛА - логический автомат;
МОП - металл-оксид-полупроводник
МУ - масштабирующий усилитель;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство
ОУ - операционный усилитель;
ПНТ - преобразователь напряжения в ток;
ПТ - полевой транзистор;
РП - регистр памяти;
РСИ - реверсивный счетчик импульсов;
ФИ - формирователь импульсов;
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;
ЦИ - цифровой индикатор;
ЧЭ - чувствительный элемент.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ БЕСПРОВОДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1.1 Анализ применения беспроводных электронных датчиков для систем мониторинга окружающей среды
1.2 Основные пути снижения энергопотребления беспроводных электронных датчиков
1.3 Сравнительный анализ характеристик микромощной элементной базы, применяемой в беспроводных электронных датчиках
1.3.1 Исследование характеристик микромощных операционных усилителей
1.3.2 Основные параметры транзисторов в микрорежиме
1.3.3 Свойства микромощных КМОП логических элементов
1.3.4 Результаты сравнительного анализа
1.4 Выводы по первой главе
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ
СТРУКТУРЫ МИКРОМОЩНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ
2.1 Общие подходы к моделированию микромощных беспроводных электронных датчиков
2.2 Модели микромощных беспроводных электронных датчиков различного функционального назначения и критерии оптимизации их структуры
2.3 Проектирование структуры микромощного беспроводного электронного датчика
2.4 Синтез совмещенных и комбинированных беспроводных электронных датчиков

2.4.1 Алгоритм оптимизации структуры микромощных беспроводных электронных датчиков
2.4.2 Реализация полученных решений
2.4.3 Анализ точности комбинированных беспроводных электронных датчиков
2.5 Выводы по второй главе
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ МИКРОМОГЦНОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
3.1 Оценка взаимосвязи методов аналого-цифрового преобразования с энергопотреблением микромощных беспроводных электронных
датчиков
3.2 Автоматическая коррекция аддитивной погрешности микромощных беспроводных электронных датчиков
3.3 Алгоритм функционирования микромощных беспроводных электронных датчиков
3.4 Комплексное использование технологических и структурноалгоритмических способов совершенствования параметров микромощных беспроводных электронных датчиков
3.5 Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ
СТРУКТУР И АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОМОЩНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ
4.1 Микромощный беспроводный электронный датчик определения влажности
4.1.1 Принцип действия двухпараметровых устройств резонансного контроля влажности

Критериями выбора полевых транзисторов для работы в микрорежиме являются два статических параметра - минимальное напряжение отсечки и0тс < (1 - 2) В и минимальный ток затвора /3 < 1 нА [41, 46, 47].
Входное и выходное динамические сопротивления полевого транзистора в схеме с общим истоком составляют десятки-сотни МОм и практически не зависят от тока стока 1 с в диапазоне от 100 мкА до 10 нА. При снижении тока стока значительно ослабляется коэффициент внутренней обратной связи, что позволяет в 2 - 3 раза повысить предельный коэффициент усиления по напряжению в микрорежиме по сравнению с номинальным режимом [47]. Для работы в микрорежиме необходимо выбирать полевые транзисторы с большим справочным значением крутизны б', что позволяет обеспечить усиление входного сигнала в микроамперном диапазоне тока стока 1с ■
Анализ результатов исследований шумовых составляющих напряжения и тока, приведенных в [47, 52], позволяет сформулировать следующие условия минимизации шумового напряжения биполярных транзисторов в микрорежиме:
1) снижение напряжения шума, обусловленного дробовым шумом тока коллектора /к и флуктуацией тока базы /б достигается выбором транзисторов с большим коэффициентом усиления тока базы /?21 > 200;
2) уменьшение составляющей шумового напряжения от влияния обратного тока коллектора 1 кбо обеспечивается выбором транзисторов с наименьшим нормируемым значением обратного тока коллектора 7^бо <100 нА.
Шумовые свойства полевых транзисторов в микрорежиме практически полностью определяются спектральной плотностью напряжения шума , которое возрастает аналогично напряжению бщ биполярных транзисторов от 30 до 40 раз при понижении тока стока /с в диапазоне от 100 до 0,01 мкА [56].
В микрорежиме при равенстве токов /к = напряжение квазибелого шума БТ примерно в 1,5 - 2 раза меньше теплового шума ПТ, в то же время усилительные свойства БТ при токе коллектора /к ~ (0,1 - 10) мкА лучше в 2-5 раз по сравнению с ПТ. Вследствие этого, при построении микромощных функциональных узлов БЭД целесообразно использовать биполярные транзи-