کد مقاله کد نشریه سال انتشار مقاله انگلیسی نسخه تمام متن
547164 871982 2014 10 صفحه PDF دانلود رایگان
عنوان انگلیسی مقاله ISI
A new 0.35 μm CMOS electronic interface for wide range floating capacitive and grounded/floating resistive sensor applications
ترجمه فارسی عنوان
یک واسط الکترونیکی CMOS 35/0 میکرومتری برای طیف وسیعی از کاربردهای سنسور خازنی متغیر و سنسورهای مقاومتی زمین شده/شناور
کلمات کلیدی
سنسور مقاوم در برابر، سنسور خازنی، طیف گسترده پویا، نوسان ساز موج مربعی، تقویت کننده عملیاتی، امپدانس به مدت زمان تبدیل، تمایز ولتاژ، سنسور رطوبت نسبی، حسگر گاز، تک تراشه جلویی، CMOS یکپارچه جریان
فهرست مطالب مقاله
چکیدهکلمات کلیدی1. مقدمه2) واسط سنسور جدید ارائه شده: تحلیل و تئوری مدار3) اندازه گیری های الکتریکی و توصیف مدار واسط از طریق PCB نمونه4) مدار مجتمع با تکنولوژی CMOS استاندارد 0.35 میکرومتری5) توصیف مشخصات الکتریکی مدار روی یک تراشه و اندازه گیری های تجربی اولیه6) نتایج آزمایشگاهیسنسورهای خازنی و مقاومتی تجاری در مورد اندازه گیری رطوبت نسبی و اندازه گیری غلظت گاز7)نتیجه گیریشکل1. طرح بلوک واسط سنسور خازنی- مقاومتی: خازن C (شناور) و مقاومت R1 (پایه) یا R2 (شناور) می تواند بوسیله سنسورهای مناسب جابجا شود.شکل 2. پاسخ های زمانی رایج محاسبه شده در گره های واسط اصلیشکل 3. موج مربعی با دوره زمانی T در مقابل خازن نمونه C: نتایج اندازه گیری PCB (نقاط قرمز)، مقادیر تئوری (خط ممتد سبز، از Eq(2)) و خطاهای مرتبط با آن (مثلث های آبی). (برای بیان مراجع با رنگ در شرح این شکل، خواننده به نسخه اینترنتی این مقاله ارجاع داده می شود.)شکل4) خروجی موج مربعی با دوره T در مقابل مقاومت نمونه R1: نتایج اندازه گیری روی PCB(نقطه های قرمز) و مقادیر تئوری(خطوط سبز پیوسته، از معادله 2) و خطای نسبی آنها(مثلث های آبی). ( برای تفسیر مراجع رنگ ها در فهرست علایم شکل خواننده باید به نسخه اینترنتی این مقاله رجوع کند.)شکل ۵) خروجی موج مربعی با دوره T در مقابل مقاومت نمونه R2: نتایج اندازه گیری روی PCB (نقطه های قرمز) و مقادیر تئوری( خط پیوسته سبز از معادله 2) و خطای نسبی آنها(مثلث های آبی).(برای تفسیر مراجع رنگ های در این فهرست علائم شکل خواننده باید به نسخه اینترنتی این مقاله مراجعه کند.)شکل۶) مدار شماتیک ترانزیستوری OTA طراحی شدهشکل۷) مدار شماتیک ترانزیستور مدار بایاس OTAشکل 8) تصویر تراشه ساخته شده(سطح مدار واسط کمتر از 0.6 میلی متر مربع): هر بلوک اصلی مدار توسط کادر خط چین مشخص می شود.شکل۹) ‍‍پاسخ تئوری (خط ممتد سبز- از Eq2) و نتایج اندازه گیری روی چیپ (نقاط قرمز) مرتبط با دوره زمانی T از شکل مرجع مربعی خروجی در مقابل خازن نمونه C با خطاهای مرتبط به آن (مثلث های آبی). (برای بیان مراجع با رنگ در شرح این شکل، خواننده به نسخه اینترنتی این مقاله ارجاع داده می شود.)شکل 10) پاسخ تئوری (خط ممتد سبز- از Eq2) و نتایج اندازه گیری روی چیپ (نقاط قرمز) مرتبط با دوره زمانی T از شکل مرجع مربعی خروجی در مقابل R1 با خطاهای مرتبط به آن (مثلث های آبی). (برای بیان مراجع با رنگ در شرح این شکل، خواننده به نسخه اینترنتی این مقاله ارجاع داده می شود.)شکل 11) پاسخ تئوری (خط ممتد سبز- از Eq2) و نتایج اندازه گیری روی چیپ (نقاط قرمز) مرتبط با دوره زمانی T از شکل مرجع مربعی خروجی در مقابل R2 با خطاهای مرتبط به آن (مثلث های آبی). (برای بیان مراجع با رنگ در شرح این شکل، خواننده به نسخه اینترنتی این مقاله ارجاع داده می شود.)شکل 12)تنظیمات تجربی استفاده شده برای انجام اندازه گیری های به ترتیب رطوبت و CO از طریق  سنسورهای تجاری خازنی و مقاومتیشکل13)نتایج اندازه گیری با چیپ ساخته شده مربوط به آشکار سازی RH% با سنسور رطوبت خازنی سری HCH-1000 ساخت شرکت Hneywell. پاسخ زمانی تجربی تغییر ظرفیت سنسور تخمینی برای مقادیر RH% مقایسه شده با روند داده های میانگین شده.شکل 14)نتایج تجربی با چیپ ساخته شده مربوط به آشکارسازی CO با سنسور گازی مقاومتی TGS2600 ساخت شرکت  FIGARO به عنوان مقاومت زمین شده R1: پاسخ زمانی تغییر مقاوت تخمینی سنسور برای مقادیر غلظت CO.
 جدول1)اندازه های ترانزیستور OA، جریان بایاس و مقادیر قطعات پسیو.جدول2)اندازه های ترانزیستور مدار بایاس OTA، ولتاژهای بایاس تولید شده و مقادیر قطعات پسیو.جدول3) ویژگی های اصلی OTA(مقادیر شبیه سازی و اندازه گیری)جدول4) ویژگی های اصلی مدار واسط: داده های به دست آمده از مقایسه بین PCB با قطعات
ترجمه چکیده
: در این مقاله ما یک مدار واسط جدید مناسب برای مطالعه طیف گسترده ای از سنسورهای خازنی متغیر و سنسورهای مقاومتی شناور/زمین شده ارائه می دهیم. این مدار تنها از دو تقویت کننده عملیاتی به عنوان بلوک های اکتیو استفاده می کند و تعدادی از قطعات پسیو، بر مبنای یک توپولوژی مدار نوسانی موج مربعی عمل می کنند که به جای پیوستگی ولتاژ معمول به کار رفته توسط سایر روش های ارائه شده در این مقاله، عمل تفکیک ولتاژ را انجام می دهد. بنابراین، این مدار پیشنهادی تبدیل امپدانس به دوره را انجام می دهد که منجر می شود تا به عنوان اولین analog front-end(طبقه آنالوگ مابین سنسور و پردازنده دیجیتال) برای تغییرات گسترده سنسورهای خازنی(مانند رطوبت نسبی) و سنسورهای مقاومتی (مانند سنسور گاز) مانسب باشد. حساسیت و محدوده دینامیک آن به سادگی از طریق قطعات پسیو قابل تنظیم می باشد. اندازه گیری های تجربی اولیه که این روش را توصیف و تایید کرده اند، از طریق یکPCB اولیه مناسب ساخته شده با ادوات تجاری گسسته انجام شده اند. سپس، مدار واسط ارائه شده نیز در سطح ترانزیستور تحت تکنولوژی CMOS استاندارد (0.35 میکرومتر)، یک مدار مجتمع تک تراشه دارای مشخصات ولتاژ پایین (1.8 ولت، تغذیه واحد)، توان پایین (در حدود 350 میکرو وات) در یک سطح سیلیکونی بسیار کوچک (کوچکتر از 0.6 میلی متر مربع) می باشد که موجب می شود تا برای پیکر بندی آرایه سنسور و کاربردهای سبک مناسب باشد. نتایج تجربی دیگر، نمونه مقاومت ها و خازن های تجاری مورد استفاده به دست آمده برای تقلید از رفتار سنسور، در ارزیابی تغییرات خازن شناور (در محدوده 10 پیکوفاراد تا 1 میکروفاراد)، مقاومت زمین شده (در محدوده 150 کیلو اهم تا 1.5 مگا اهم) و مقاومت شناور (در محدوده 10 مگا اهم تا 1گیگا اهم)، در مقایسه با سایر روش های ارائه شده در این مقاله نیز یک مسیر خطی و دقت مورد قبولی رانشان داده اند. رفتار مورد قبول مدار واسط نیز توسط اندازه گیری رطوبت نسبی از طریق سنسور تجاری Honeywell HCH-1000 (خازنی) و مونوکسید کربن از طریق سنسور تجاری کیفیت هوا FIGARO TGS-2600 (مقاومتی) تایید شده است.
موضوعات مرتبط
مهندسی و علوم پایه مهندسی کامپیوتر سخت افزارها و معماری
پیش نمایش مقاله
یک واسط الکترونیکی CMOS 35/0 میکرومتری برای طیف وسیعی از کاربردهای سنسور خازنی متغیر و سنسورهای مقاومتی زمین شده/شناور
چکیده انگلیسی
In this paper we propose a novel interface circuit suitable for the read-out of both wide range floating capacitive and grounded/floating resistive sensors. This solution, employing only two Operational Amplifiers (OAs) as active blocks and some passive components, is based on a square-wave oscillating circuit topology which, instead of a voltage integration typically performed by other solutions in the literature, operates a voltage differentiation. Therefore, the proposed circuit, performing an impedance-to-period (Z–T) conversion, results to be suitable as first analog front-end for both wide variation capacitive (e.g., relative humidity) and resistive (e.g., gas) sensors. Its sensitivity and dynamic range can be easily set through external passive components. Preliminary experimental measurements, which have characterized and validated this solution, have been conducted through a suitable prototype PCB fabricated with discrete commercial components. Then, the proposed interface has been also designed at transistor level, in a standard CMOS technology (AMS 0.35 um), developing a single-chip integrated circuit with low-voltage (1.8 V, single supply) low-power (about 350 μW) characteristics in a very small silicon area (lower than 0.6 mm2) which results to be suitable for sensor array configurations and portable applications. Further experimental results, achieved utilizing commercial sample resistors and capacitors to emulate sensor behavior, have shown a linear trend and a satisfactory accuracy in the evaluation of floating capacitive (in the range 10 pF–1 μF), grounded resistive (in the range 150 kΩ–1.5 MΩ) and floating resistive (in the range 10 MΩ–1 GΩ) variations, also when compared to other solutions presented in the literature. The satisfactory interface behavior has been also confirmed by the measurement of both relative humidity through the commercial sensor Honeywell HCH-1000 (capacitive) and carbon monoxide CO through the commercial air quality sensor FIGARO TGS-2600 (resistive).
ناشر
Database: Elsevier - ScienceDirect (ساینس دایرکت)
Journal: Microelectronics Journal - Volume 45, Issue 7, July 2014, Pages 910–920
نویسندگان
, , , , , ,