为超低功耗传感器应用设计电路
监测机械和生物系统的传感器通常必须从被感应的物体中获取电力。此处显示的振荡器电路允许您作这些传感器。
连接到热电偶、电磁机械-电传感器和压电机械-电传感器的传感器电路通常使用通过太阳能电池和其他来源的能量收集供电的振荡器。这些电源可以产生微瓦到毫瓦的电压，电压水平为数十或数百毫伏 [1-4]。由这些来源供电的传感器监测各种生物功能和工业条件，例如血压、心率、血氧水平和酶水平。机械示例包括温度、压力、电流消耗和振动。
许多信号调理系统包括振荡器、包含频率选择网络的放大器，以及将其输出的同相部分反馈给其输入的方法。通过将其配置为电压升压器，您可以将振荡器用作开关模式电源 （SMPS） 的核心。当系统包含不会在毫伏级别工作的电路时，这很有用。一旦电压升压，可充电电池或超级电容器支持短期、高电流消耗水平。此配置的典型用途是将使用情况信息从燃气表和水表（住宅和商业公用事业）传输到中央数据收集单元的数据发射器。
您需要具有非常低 input thresholds 的器件，以使这些电路在低电压下工作。硅双极晶体管的输入端通常需要大约 600 mV （V是或与发射器相关的碱基）以建立足够的基极电流以将器件移动到其有源区域（允许它们放大）。另一方面，耗尽型 N 沟道结型场效应晶体管 （JFET） 可以在明显较低的阈值 （VGS-OFF 系列或栅极-源极夹断电压）。典型阈值范围为 20 mV 至 100 mV，因此您可以构建在相应较低电源电压下工作的电路。
让我们仔细看看一些典型的振荡器电路。首先，考虑一个使用双极晶体管的简单振荡器电路。图 1 中的电路是使用 2N3904 NPN 晶体管的通用基极射频振荡器。图 2 显示了 LTSpice 生成的输出 [5]。经计算，振荡频率约为 87 MHz。添加 C4-R3-R2 网络是为了对电路进行原型设计并为示波器探头提供一些隔离。
图 1.在这个共基振荡器电路中，同相反馈位于 Q1 的集电极和发射极之间。
图 2.此 LTSpice 仿真显示了 circuit 的 output。
我把它建在一个小电路板上，以确认电路的性能和以下电路的性能。图 3 显示了我的一些测试板。
图 3.这些是作者构建的一些测试板，用于提供模拟的真实确认。
Figure 1 电路可在低至 1.0 VDC 的电压下工作。测得的振荡频率约为 91 MHz。
Hartley 振荡器
我模拟了另一个单晶体管电路，这次是 Hartley 振荡器，如图 4 所示。LTSpice 仿真输出如图 5 所示。经计算，振荡频率约为 14 MHz。考虑到 L1-L2-C1 油箱电路的值，它比您乍一看预期的要低。C3 和 Q1 对谐振电路的负载相当大。
图 4.这个Hartley振荡器使用一个带螺纹的电感器（L1和L2）来提供从Q1的发射器到Q1的基极的反馈。假设 L1-L2 耦合系数为 0.99。
图 5.LTSpice 仿真显示电路的输出。
我对这个电路进行了基准测试，发现它可以在低至 0.8 VDC 的电压下工作。测得的输出频率约为 17 MHZ。
Colpitts oscillator （ 科尔皮茨振荡器 ）
以上述电路为起点，考虑使用 N 沟道耗尽型结 FET （N-JFET） 的类似拓扑。图 6 显示了一个电路，类似于图 4 中的 Hartley 振荡器。这是一个 Colpitts 振荡器，用于交换频率确定槽中的电抗器件：抽头电感器变为两个电容器，电容器变为电感器。我添加了 D1 作为箝位，以防止 FET 栅源（正向）电流过大。
图 6.这款Colpitts振荡器使用一个“螺纹”电容器（C1和C2）来提供从Q1的源到Q1的门的反馈。
我使用 LSK170 的内置模型在 LTSpice 中仿真了电路。当工作电压指定为 1.0 VDC 时，图 7 中的模拟输出似乎显示了预期的高频，但其总和频率较低。
图 7.Colpitts 振荡器根据 LTSpice 生成的模拟输出。
作为完整性检查，我重新绘制了电路并在 QSpice [6] 中对其进行了仿真。参见图 8。
图 8.这与图 6 中的 Colpitts 振荡器相同，只是在 QSpice 中绘制。
模拟输出如图 9 所示。输出不再具有特殊的 lower frequency 内容。计算出的工作频率约为 44 MHz。
图 9.QSpice 生成的模拟输出显示了 Colpitts 振荡器的输出。
我使用 InterFET IF170 [7] 构建并测试了这个电路。它以 96 MHz 的频率振荡，最小施加电压为 1.1 VDC。为了确保这不是特定于制造商的，我用 Linear Systems LSK170A 替换了 JFET 并重复测试 [8]。它在 89 MHz 下振荡，施加的电压为 770 mV。
请注意输出端的 1.0 MΩ 电阻。如前所述，我添加此函数是为了最大程度地减少示波器探头对振荡器的负载。
我模拟的下一个电路（再次在 QSpice 中）是 Hartley 振荡器，这次以低得多的频率运行。参见图 10。计算出的作频率约为 2.99 MHz。
图 10.这个Hartley振荡器使用一个带螺纹的电感器（L1和L2）来提供从Q1的源到Q1的门的反馈。所示电感基于手动绕线电感器，在 7.8 kHz 下测量。
仿真输出如图 11 所示。
图 11.QSpice 生成的模拟输出显示了 Hartley 振荡器的输出。
我使用 InterFET IF170构建并测试了此电路。我将电感器手工缠绕在我从 Bourns 1120-1ROM-RC 功率电感器中回收的铁氧体磁芯上。它以大约 2.8 MHz 的频率振荡，最小施加电压为 340 mVDC（图 12）。我用 Linear Systems LSK170A 替换了 FET，并重复了测试。它在 2.5 MHz 下振荡，施加的电压为 130 mV（图 13）。
图 12.这是使用 InterFET IF170 JFET 的 Hartley 振荡器的输出。
图 13.这是使用 Linear Systems LSK170A的同一振荡器的输出。
带变压器的振荡器
我模拟了最后一个振荡器电路（再次在 QSpice 中）——这次是一个以低得多的频率运行的阻塞振荡器。参见图 14。
图 14.在此阻塞中，初级和次级电感值适用于在 7.8 kHz 下测量的小型音频输出变压器。
计算出的作频率约为 11.4 kHz。请注意，我没有选择以前使用的 L1-L2 标号，而是选择了 Lpri和 L秒向我保证我正在正确地将被测变压器插入我的测试板.参见图 15。
图 15.此测试设置使我能够快速轻松地更改我的 transformer-under-test。所示的两个设备提供了最有趣的结果，尽管我测试了其他几个小型输出变压器。
仿真结果如图 16 所示，使用初级和次级电感，基于 Z103×5 输出变压器的测量结果，在 7.8 kHz 下测量。
图 16.根据 QSpice，该模拟输出由图 14 所示的阻塞振荡器产生。
我构建并测试了这个电路，并评估了几种不同的变压器。最好的结果来自两个特定的变压器：
首先，一个便宜的音频变压器，标有 Z103*5，作为 1300：1 匝数比音频输出变压器从亚马逊出售;在 7.8 kHz 时测得的初级电感为 113 mH;在 7.8 kHz 时测得的次级电感为 3.0 mH。使用 InterFET IF170，它在 145 mV 的电源电压下以大约 10.2 kHz 的频率振荡（图 17）。
图 17.这是使用音频输出变压器和 InterFET IF170 的阻塞振荡器的输出。
使用 Linear Systems LSK170A并重复测试，它在施加 60 mV 的电压下以 8.3 kHz 振荡（图 18）。
图 18.这是使用 Linear Systems LSK170A的同一振荡器的输出。
第二，一个小型射频变压器（最初用作 AM 无线电 IF 变压器）;在 7.8 kHz 时测得的初级电感为 483 μH;在 7.8 kHz 时测得的次级电感为 0.86 μH。使用 InterFET IF170，它在 25 mV 的电源电压下以大约 1.4 MHz 的频率振荡（图 19）。
图 19.这是使用小型 RF 变压器和 InterFET IF170 的阻塞振荡器的输出。
使用 Linear Systems LSK170A并重复测试，我发现电路在 20 mV 的外加电压下以 1.2 MHz 的频率振荡（图 20）。
图 20.这是使用 Linear Systems LSK170A的同一振荡器的输出。
实际应用
下面是图 14 中的电路，它使用射频变压器，由蜡烛照亮的太阳能电池供电（输出约为 1 英尺蜡烛）。太阳能电池输出约为 80 mVDC。输出波形与图 19 和图 20 所示的波形非常相似，但幅度略高。
图 21.当我进行太阳能电池测试时，我在工作台上的物理设置使用蜡烛作为光源。
图 22 显示了使用从酒精燃烧器加热的“30 mV”K 型热水器热电偶的类似设置。热电偶输出约为 25 mVDC。输出波形与图 19 和图 20 中所示的非常相似。
图 22.这个测试设置让我测试了一个热电偶。
在如此低的电压下获得良好性能的关键是选择具有非常低栅源极夹断电压的 JFET。对于大批量生产订单，让 JFET 制造商选择或制造具有您所需规格的零件可能很实用。
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