DE102017129470A1 - Feldgerät - Google Patents

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Romuald Girardey
Jan Schleiferböck
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät (1) zur Bestimmung einer Messgröße (L). Erfindungsgemäß umfasst das Feldgerät (1) neben einer Sensor-Einheit (11) zur Erzeugung eines Messsignals (s) eine CMOS-Transistor basierte Logikeinheit (12), die ausgestaltet ist, um das Messsignal (s) zu verarbeiten und/oder zu speichern. Dementsprechend ist eine Spannungsquelle (13) vorgesehen, die konzipiert ist, um die Logikeinheit (12) mit einer Versorgungsspannung (V), die maximal der Threshold-Spannung (V) der MOS-Transistoren der Logikeinheit (12) entspricht, zu versorgen. Die Erfindung beruht also darauf, dass eine CMOS-basierte Logikeinheit (12) mit einem Umschaltverhalten unterhalb der Threshold-Spannung die Leistungsaufnahme des Feldgerätes (1) deutlich reduzieren kann. Somit kann das Feldgerät (1) erfindungsgemäß einfacher für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energie-effizientes Feldgerät.
  • In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung von Prozessvariablen dienen. Hierzu werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Messgrößen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit, Dielektrizitätswert oder Viskosität. Darüber hinaus werden auch all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung unter Feldgeräten zusätzlich auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
  • Da Feldgeräte oftmals in explosionsgefährdeten Bereichen, wie in Öltanks oder unter vergleichbaren Bedingungen eingesetzt werden, müssen sie entsprechend explosionssicher ausgelegt sein. Die in diesem Zusammenhang geltenden Vorgaben werden für den europäischen Raum in der Normenreihe IEC/EN 60079 festgelegt. Hiernach müssen die Feldgeräte bzw. deren elektrische Baugruppen so ausgelegt sein, dass die in ihnen gespeicherte Energie bzw. die ihnen zugeführte Leistung begrenzt ist. Dabei ist die Begrenzung so zu wählen, dass die Atmosphäre des explosionsgefährdeten Bereichs unter keinen Umständen entzündet werden kann. Daher werden Feldgeräte in der Regel durch übergeordnete Einheiten entsprechend leistungsbegrenzend versorgt.
  • Eine hierfür geeignete Sicherheitsschaltung für ein Feldgerät wird in der Veröffentlichungsschrift WO 2012/034796 A2 beschrieben. Die dort gezeigte Sicherheitsschaltung regelt den elektrischen Eingangs-Pfad, über den das Feldgerät mit Leistung versorgt wird, so dass eine Erwärmung des Feldgerätes auf oberhalb einer kritischen Temperatur vermieden wird. Die Regelung basiert auf einem getakteten Kurzschließen des Eingangs-Pfades auf Masse. Dabei resultiert die maximal übertragbare Leistung aus dem Taktungsverhältnis und der Taktfrequenz. Diese beiden Parameter werden durch die übergeordnete Einheit vorgegeben.
  • Nachteilhaft hieran ist jedoch, dass Feldgeräte, die eine höhere Leistungsaufnahme als die durch die Taktung vorgegebene mittlere Leistung aufweisen, nur entsprechend getaktet betrieben werden können. Dies ist wiederum bei solchen Anwendungen kritisch, bei denen eine ununterbrochene Überwachung der jeweiligen Messgröße unerlässlich ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein energieeffizientes Feldgerät bereitzustellen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Feldgerät zur Bestimmung einer Messgröße. Dazu umfasst das Feldgerät zumindest:
    • - Eine Sensor-Einheit, die ausgelegt, anhand der gemessenen Messgröße ein entsprechendes Messsignal zu erzeugen,
    • - eine CMOS-Transistor basierte Logikeinheit, die ausgestaltet ist, um zumindest das Messsignal zu verarbeiten und/oder zu speichern, wobei die MOS-Transistoren der Logikeinheit eine derartige Abhängigkeit des Stroms zur Gate-Source-Spannung aufweisen, dass der Strom unterhalb einer Threshold-Spannung exponentiell ansteigt und oberhalb der Threshold-Spannung linear ansteigt, und
    • - eine Spannungsquelle, die konzipiert ist, um die Logikeinheit mit einer Versorgungsspannung, die maximal der Threshold-Spannung entspricht, zu versorgen.
  • Die Erfindung beruht also darauf, dass eine CMOS-basierte Logikeinheit eingesetzt wird, bei der bereits bei Eingangsspannungs-Änderungen unterhalb der Threshold-Spannung ihrer MOS Transistoren ein logisches Umschaltverhalten stattfindet. Beschrieben wird eine solche Logikeinheit bspw. in „Reynders N., Dehaene W. (2015) Sub-Threshold Operation: Theory and Challenges. In: Ultra-Low-Voltage Design of Energy-Efficient Digital Circuits. Springer, Cham“. Vorteilhaft an der Implementierung einer solchen CMOS-basierten Logikeinheit ist die signifikant reduzierte Leistungsaufnahme. Somit kann das Feldgerät erfindungsgemäß mit einem sehr geringen Leistungsverbrauch konzipiert werden, so dass es vereinfacht für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt werden kann.
  • Sofern das Messsignal der Sensor-Einheit nicht zu dem verringerten Spannungspegel der Logikeinheit kompatibel ist, bzw. wenn nicht auch die digitalen Bausteine der Sensor-Einheit auf Basis der Schaltschwellen unterhalb der Threshold-Spannung ausgelegt sind, kann ein Pegelwandler vorgesehen werden, mittels dem das Messsignal an den Spannungsbereich der Versorgungsspannung anpassbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher Pegelwandler auch ausgelegt werden, um Sensor-Signale, die für die Sensor-Einheit bestimmt sind, an den gegebenenfalls höheren Spannungsbereich der Sensor-Einheit anzupassen.
  • Vorteilhaft ist, wenn zumindest die Logikeinheit, die Spannungsquelle und/oder der Pegelwandler jeweils als integraler Bestandteil eines entsprechenden Mikrocontrollers, eines ASIC („Application Specific Integrated Circuit“), eines DSP („Digital Signal Processor“) oder eines FPGA („Field Programmable Gate Array“) ausgelegt sind/ist. Dabei kann die Logikeinheit bspw. die CPU („Central Processing Unit“) oder einen Speicher der jeweiligen Rechner-Architektur darstellen. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Feldgerät mit einer geringen Anzahl elektronischer Komponenten gefertigt werden.
  • Die Auslegung der Spannungsquelle ist erfindungsgemäß nicht auf bestimmte Auslegungsvarianten beschränkt. Es kann im einfachsten Fall eine Batterie eingesetzt werden, die eine entsprechende Maximalspannung unterhalb der Threshold-Spannung der Logikeinheit aufweist. Vorteilhaft ist jedoch, wenn die Spannungsquelle als Spannungswandler oder als Spannungsregler einer Eingangs-Spannung, die insbesondere von einer übergeordneten Einheit bereitgestellt wird, ausgelegt ist.
  • Weiterhin ist die Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ an Feldgeräten beschränkt. Dementsprechend kann das Feldgerät beispielsweise ausgelegt werden, um den Füllstand, den Druck, die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, den Durchfluss und/oder den Dielektrizitätswert eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes zu bestimmen.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: schematische Darstellung eines Füllstandsmessgerätes an einem Behälter,
    • 2: ein erfindungsgemäßes Füllstandsmessgerät,
    • 3: eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOS-Transistors, und
    • 4: ein NAND-Gatter aus MOS-Transistoren.
  • Zum grundsätzlichen Verständnis des erfindungsgemäßen Feldgerätes ist in 1 eine exemplarische Anordnung eines frei abstrahlenden Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. Im Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer bekannten Einbauhöhe h oberhalb des Behälterbodens am Behälter 2 angebracht. Hierbei kann der Behälter 2 je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Da es sich bei dem Füllgut 3 beispielsweise um einen Treibstoff wie Kerosin oder Flüssiggas handeln kann, muss das Füllstandsmessgerät 1 explosionssicher ausgelegt sein. Wie unter anderem in der Normenriehe IEC/EN 60079 festgelegt ist, besteht eine der dort beschriebenen Anforderungen darin, dass die Leistungsaufnahme des Füllstandsmessgerätes 1 auf einen entsprechenden Maximalwert begrenzt sein muss.
  • In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa „Ethernet“, „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ und/oder über eine Analogschnittstelle mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Über ein entsprechendes Signal S4-20 kann zum einen der eigentliche Füllstands-Messwert (in der Regel auf Basis des analogen Signalanteils nach dem 4-20 mA Standard) kommuniziert werden. Mittels des zusätzlichen, digitalen Busprotokolls können zudem Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1, und/oder Konfigurations- bzw. Parametrierdaten für das Füllstandsmessgerät 1 kommuniziert werden. Darüber hinaus wird durch das Signal S4-20 die Eingangsspannung und somit die Leistung für das Füllstandsmessgerät 1 bereitgestellt. Gleichzeitig wird durch das Signal S4-20 die Leistung gemäß dem 4-20 mA Standard als Produkt der minimalen Eingangsspannung (10 V) und des minimalen Fehlerstroms (3,6 mA) bzw. des maximalen Signalstroms (20 mA) auf mindestens 36 mW und höchstens 200 mW begrenzt.
  • Aufgrund dieser Rahmenbedingungen sowie der Vorgaben bezüglich des Explosionsschutzes ist das Füllstandsmessgerät 1 getaktet zu betreiben, sofern es eine hohe Leistungsaufnahme aufweist. Insbesondere bei schnellen Füllstands-Änderungen kann dies allerdings zu einer Gefahrensituation führen: Wird bspw. das Erreichen eines Maximal-Füllstandes aufgrund des getakteten Betriebs des Füllstandsmessgerätes 1 nicht erkannt, so kann es zu einer ungewollten Überfüllung des Behälters 2 kommen.
  • Auf Basis der erfindungsgemäßen Idee kann ein Energie-effizientes Füllstandsmessgerät 1 bereitgestellt werden, durch das ein getakteter Betrieb vermieden bzw. deutlich reduziert werden kann. Der strukturelle Aufbau des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist hierzu in 2 dargestellt:
  • Wie aus dem Stand der Technik bekannt, umfasst das Füllstandsmessgerät 1 zur Generierung eines Messwertes sL , der die Information über den Füllstand L enthält, eine hierzu geeignete Sensor-Einheit 11. Im Falle der Füllstandsmessung ist diese Radar- oder Ultraschall-basiert, so dass die Sensor-Einheit 11 anhand des gemessenen Abstandes d zur Oberfläche des Füllgutes 3 einen korrespondierenden Messwert sL generiert. Dabei wird der Messwert sL in der Regel bereits innerhalb der Sensor-Einheit 11 digitalisiert. Entsprechend des Spannungsbereichs am Eingang der Sensor-Einheit 11 liegt der Spannungs-Pegel des digitalisierten Messwertes sL üblicherweise bei < 1,5 V oder > 3,5 V (am Ausgang ist der Spannungs-Pegel als < 0,5 V oder > 4,44 V definiert). Sofern der Messwert sL von der Sensor-Einheit 11 als analoger Wert ausgegeben wird, weißt er also einen entsprechenden standardisierten Logik-Pegel auf.
  • Neben der Generierung des Messwertes sL muss das Füllstandsmessgerät 1 außerdem in der Lage sein, den Messwert sL zwischenzuspeichern, zu verifizieren oder in sonstiger Weise weiterzuverarbeiten. Zudem ist es in der Regel auch erforderlich, Parametrier- oder Konfigurationsdaten im Füllstandsmessgerät 1 vorzuhalten.
  • Erfindungsgemäß wird für diese Aufgaben eine CMOS-basierte Logikeinheit 12 eingesetzt, die auf Basis herabgesetzter Schaltschwellen arbeitet und somit sehr energieeffizient ist. Der Betrieb bei „herabgesetzter Schaltschwelle“ bedeutet, dass der Schaltpegel der Logikeinheit 12 nicht wie üblich zwischen 0 V und oberhalb der Threshold-Spannung Vth der Logikeinheit 12, also bspw. bei 5 V, liegt. Vielmehr wird als „logische 1“ eine Spannung bereits unterhalb der Threshold-Spannung Vth (bei aktuellen CMOS Technologien liegt die Threshold-Spannung Vth bei ca. 0.5 V) definiert. Veranschaulicht wird der Bereich unterhalb der Threshold-Spannung Vth anhand von 3, in der die Kennlinie eines typischen MOS Transistors schematisch dargestellt ist:
  • Aufgetragen ist der Strom IDS zwischen Drain und Source des Transistors (logarithmische Skalierung) gegenüber der Spannung VGS zwischen Gate und Drain des MOS-Transistors. Die resultierende Kennlinie lässt sich in drei Bereiche einteilen:
    1. I. Einen Niederspannungsbereich, beginnend ab VGS = 0 V; Dort steigt der Strom IDS mit steigender Spannung VGS exponentiell an;
    2. II. Einen Sättigungsbereich oberhalb der Threshold-Spannung Vth ; In diesem Bereich erhöht sich der Strom IDS mit steigender Spannung VGS nur noch linear;
    3. III. Einen Übergangsbereich zwischen den zwei zuvor genannten Bereichen I, II (auch als quadratischer Bereich bekannt).
  • Dabei ist die Threshold-Spannung Vth in Bezug zu 3 als diejenige Spannung im Übergangsbereich III definiert, bei der sich die zwei hypothetischen Regressionsgeraden aus den zwei anderen Bereichen I, II der Kennlinie schneiden.
  • Die Funktionsweise der Logikeinheit 12 unterhalb der Threshold-Spannung Vth wird in 4 exemplarisch anhand eines NAND-Gatters verdeutlicht: Das NAND-Gatter, das aus einer Reihenschaltung zweier paralleler- und zweier in Reihe geschalteter MOS Transistoren aufgebaut ist, wird (in Bezug zu Masse) durch die konstante DC-Versorgungsspannung VDD versorgt, wobei die Versorgungsspannung VDD geringer als die Threshold-Spannung Vth der MOS-Transistoren ist. Somit liegt der Ausgang Out des Gatters je nach Eingangs-Status entweder auf Masse oder auf dem Potential der Versorgungsspannung VDD . Hierbei kommt die Charakteristik der Logikeinheit 12 zum Tragen, dass die MOS Transistoren bereits vom sperrenden- in den leitenden Zustand wechseln, wenn an deren Eingängen A, B eine Spannung unterhalb der Threshold-Spannung Vth anliegt (bei 0 V an den Eingängen A, B sind die MOS-Transistoren nach wie vor sperrend).
  • Da am Ausgang out des NAND-Gatters entweder 0 V oder die unterhalb der Threshold-Spannung Vth gewählte Versorgungsspannung VDD anliegt, kann der Ausgang des NAND-Gatters wiederum als Eingangssignal eines nachgeschalteten Gatters fungieren, usw.
  • Damit die Logikeinheit 12 bei Schaltschwellen unterhalb der Threshold-Spannung Vth arbeiten kann, muss sie so ausgelegt sein, dass deren Strom-(IDS ) zu Spannungs- (VDS , VGS ) Charakteristik hinsichtlich Temperatur-, Alterungs- und sonstigen Stör-Einflüssen sehr genau bekannt ist. Somit lässt sich der Arbeitspunkt bzw. das Umschaltverhalten der Transistoren sehr definiert einstellen.
  • Wie anhand von 4 verdeutlicht wird, liegt der Eingangs- und Ausgangspegel der CMOS-basierten Logikeinheit (vgl. 2) entweder bei 0 V oder dem Wert der Versorgungsspannung VDD . Daher ist es erforderlich, zur Übertragung des Messwertes sL von der Sensor-Einheit 11 zur Logikeinheit 12 einen Pegelwandler 14 zwischenzuschalten, um das Messsignal sL an den Spannungsbereich der Logikeinheit 12 (also an den Bereich unterhalb der Threshold-Spannung Vth ) anzupassen. Umgekehrt kann der Pegelwandler 14 zudem dazu verwendet werden, um Sensor-Signale sd , die für die Sensor-Einheit 11 bestimmt sind, an den (höheren) Spannungsbereich der Sensor-Einheit 11 anzupassen. Bei diesen SensorSignalen sd kann es sich wiederum um Parametrier-, Steuer- oder Konfigurationsdaten handeln.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 2 kein etwaiger Datentransfer zwischen der Logikeinheit 12 und der übergeordneten Einheit 4 dargestellt. Um dies zu implementieren, wäre zur Modulation des an die übergeordnete Einheit 4 gerichteten Signals S4-20 durch die Logikeinheit 12 wiederum ein zweiter, an die Logikeinheit 12 anschließender Pegelwandler erforderlich.
  • Allerdings wird bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die übergeordnete Einheit 4 indirekt die Versorgungsspannung VDD für die Logikeinheit 12 bereitgestellt: Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät 1 einen Spannungsregler 13, der zumindest einen vordefinierten Leistungsanteil des Signals s4-20 konstant auf den Wert der Versorgungsspannung VDD regelt. Im Sinne der Erfindung wäre es auch denkbar, die Versorgungsspannung VDD auf andere Art und Weise bereitzustellen, im simpelsten Fall bspw. durch eine entsprechende Batterie, oder eine vergleichbare Spannungsquelle. 2 illustriert außerdem, dass bis auf die Sensor-Einheit 11 alle elektronischen Komponenten, also der Spannungswandler 13, die Logikeinheit und der Pegelwandler 14, als integraler Bestandteil eines Microcontrollers 111 realisiert sind. Somit kann die Feldgeräte-Elektronik kostengünstig und platzsparend auf einer entsprechenden Leiterkarte aufgebaut werden.
  • Die Implementierung der auf Basis herabgesetzter Schaltschwellen arbeitenden Logikeinheit 12 kann erfindungsgemäß zu einer erheblichen Reduktion des Leistungsverbrauchs des Füllstandsmessgerätes 1 beitragen. Hervorgerufen wird dies dadurch, dass die Logikeinheit 12 in Relation zu regulären Logikeinheiten mit vergleichbarer Rechenleistung eine um Faktor 10 reduzierten Leistung aufnimmt. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindungsgemäße Idee, zum Zweck der Leistungsoptimierung eine CMOS-basierte Logikeinheit mit Schaltverhalten unterhalb der Threshold-Spannung einzusetzen, auch bei jeglichem anderen Typ Feldgerät angewandt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Feldgerät
    2
    Behälter
    3
    Füllgut
    4
    Übergeordnete Einheit
    11
    Sensor-Einheit
    12
    Logikeinheit
    13
    Spannungsregler
    14
    Pegelwandler
    111
    Mikrocontroller
    d
    Abstand
    h
    Einbauhöhe
    IDS
    Strom
    L
    Füllstand
    p
    Druck
    S4-20
    Signal
    sd
    Sensor-Signale
    VDD
    Versorgungsspannung
    VGS
    Gate-Source-Spannung
    Vth
    Threshold-Spannung
    I
    Niederspannungsbereich
    II
    Übergangsbereich
    III
    Sättigungsbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/034796 A2 [0004]

Claims (5)

  1. Feldgerät zur Bestimmung einer Messgröße (L), umfassend: - Eine Sensor-Einheit (11), die ausgelegt, anhand der gemessenen Messgröße (L) ein entsprechendes Messsignal (sL) zu erzeugen, - eine CMOS-Transistor basierte Logikeinheit (12), die ausgestaltet ist, um das Messsignal (sL) zu verarbeiten und/oder zu speichern, wobei die MOS-Transistoren der Logikeinheit (12) eine derartige Abhängigkeit des Stroms (IDS) zur Gate-Source-Spannung (VGS) aufweisen, dass der Strom (IDS) unterhalb einer Threshold-Spannung (Vth) exponentiell ansteigt und oberhalb der Threshold-Spannung (Vth) linear ansteigt, und - eine Spannungsquelle (13), die konzipiert ist, um die Logikeinheit (12) mit einer Versorgungsspannung (VDD), die maximal der Threshold-Spannung (Vth) entspricht, zu versorgen.
  2. Feldgerät nach Anspruch 1, wobei ein Pegelwandler (14) vorgesehen ist, mittels dem das Messsignal (sL) an den Spannungsbereich (I, II) der Versorgungsspannung (VDD) anpassbar ist, und/oder wobei der Pegelwandler (14) ausgelegt ist, um für die Sensor-Einheit (11) bestimmte Sensor-Signale (sd) an den Spannungsbereich der Sensor-Einheit (11) anzupassen.
  3. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest die Logikeinheit (12), die Spannungsquelle (13) und/oder der Pegelwandler (14) jeweils als integraler Bestandteil eines Mikrocontrollers (111), eines ASIC, eines DSP oder eines FPGA ausgelegt sind/ist.
  4. Feldgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Spannungsquelle (13) als Spannungswandler oder als Spannungsregler einer Eingangs-Spannung (S4-20), die von einer übergeordneten Einheit (4) bereitgestellt wird, ausgelegt ist.
  5. Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feldgerät (1) ausgelegt ist, um den Füllstand (L), den Druck, die Dichte, die Viskosität, die Temperatur, den Durchfluss und/oder den Dielektrizitätswert eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) zu bestimmen.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012034796A2 (de) 2010-09-15 2012-03-22 Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg Elektrische oder elektronische sicherheitsbaugruppe
US20160124041A1 (en) * 2014-10-29 2016-05-05 Nokomis, Inc. Ultra-sensitive, ultra-low power rf field sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012034796A2 (de) 2010-09-15 2012-03-22 Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg Elektrische oder elektronische sicherheitsbaugruppe
US20160124041A1 (en) * 2014-10-29 2016-05-05 Nokomis, Inc. Ultra-sensitive, ultra-low power rf field sensor

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MYERS, J. [u.a.]: A Subthreshold ARM Cortex-M0+ Subsystem in 65 nm CMOS for WSN Applications with 14 Power Domains, 10T SRAM, and Integrated Voltage Regulator. In: IEEE Journal of Solid-State Circuits, 51, 2016, 1, pp. 31-44. - ISSN 0018-9200 *
REYNDERS, Nele ; DEHAENE, Wim: Chapter 2 - Sub-threshold operation: Theory and challenges. In: Ultra-low-voltage design of energy-efficient digital circuits. Cham: Springer, 2015 (Analog Circuits and Signal Processing). S. 19-45. - ISBN 978-3-319-16136-5. DOI: 10.1007/978-3-319-16136-5_2. URL: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-319-16136-5_2.pdf [abgerufen am 2018-04-24]. Bibliographieinformationen ermittelt über: https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-319-16136-5_2 [abgerufen am 2018-04-24]. *
TONG, L. [u.a.]: An Ultra-Low Power Asynchronous-Logic In-Situ Self-Adaptive VDD System for Wireless Sensor Networks. In: IEEE Journal of Solid-State Circuits, 48, 2013, 2, pp. 573-586. - ISSN 0018-9200 *

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