lecture4.2温度传感器(pn结温度传感器)

Lec5 半导体 PN结型温度传感器徐江涛天津大学电信学院半导体 PN结型温度传感器概述p 半导体温度传感器按其工作原理可分为半导体单晶制成的非结型温度传感器和具有 PN结的半导体温度传感器两种类型。p 本节详细讲述后者的原理及其应用。PN结型温度传感器概述p 利用 PN结的温度特性可制成 PN结温度传感器，分为以下两类：p 二极管温度传感器p 晶体管温度传感器（一）二极管温度传感器由 PN结理论可知，二极管正向电流 I0与其压降 Vf有如下关系：式中 If为 PN结反相饱和电流， q为电子的电荷量， k为波尔兹曼常数， T为绝对温度。则：又因为反向饱和电流为：A为发射结面积， 是与材料和工艺有关的常数， qVg0为禁带宽度。二极管温度传感器当电流保持不变时， PN结正向压降 Vf随温度 T的上升而下降，近似线性关系。通过计算可得，温度每升高一度， PN结正向压降 Vf就下降约 2mV。二极管温度传感器，正是利用 PN结正向电压与温度关系的特性而制作的。将将 式带入式带入 式，并求对数得到：式，并求对数得到：（二）晶体管温度传感器晶体管集电极电流恒定条件下，发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降。三极管发射极电流包括三部分：1，扩散电流。2，空间电荷区中的复合电流。3，表面复合电流。但仅有扩散电流能够到达集电极，后两种电流成分作为基极电流漏掉，这使得晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。晶体管温度传感器1. 基本原理由 晶体管原理 可知， NPN晶体管的基极 -发射极电压 Vbe与温度 T的关系为：式中 Vg0=Eg0/q（ Eg0为硅单晶的禁带宽度）， A为发射结面积， 是与材料和工艺有关的常数。当 Ic一定且 T不太高时， Vbe基本与温度成线性关系，当温度较高时候，产生一定非线性偏移。晶体管温度传感器2.晶体管温度传感器的结构温敏传感器电路是由一只运算放大器和一个温敏三极管组成。电容 C的作用是防止寄生振荡。温敏三 极管作为反馈元件跨接在运放的反向输入端和输出端，基极接地。这样使得发射极为正偏，集电极几乎零偏。这是因为运放的反向输入端为虚地。晶体管的集电极晶体管的集电极 Ic 仅取决于电阻仅取决于电阻 Rc和电源电压和电源电压 E即即 Ic=E/Rc，而与温度无关，从而保证了恒流源工作条件，使电压而与温度无关，从而保证了恒流源工作条件，使电压 Vbe随随 T近似线性下降。近似线性下降。二集成温度传感器p 集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器。p 它与其他温敏元件相比，最大的优点在于输出结果与绝对温度成正比，是理想的线性输出。同时，体积小，成本低，使用方便，因此广泛用于温度检测、控制和许多温度补偿电路中。p 因为温敏晶体管 Vbe与绝对温度的关系并非绝对的线性关系，加之在同一批同型号的产品中， Vbe值也可能有100mV的离散性，所以集成电路传感器采用对管差分电路，直接给出与绝对温度严格成正比的线性输出。集成温度传感器概述集成温度传感器BG1和 BG2晶体管的杂质分布种类完全相同，且都处于正向工作状态，集电极电流分别为 I1和 I2。由图可见，电阻 R1上的压降 Vbe为两管的基极 -发射极压降之差。可以得到：Ies2/Ies1=Ae2/Ae1。通过设计可以使。通过设计可以使 BG1、 BG2发射极面积之比发射极面积之比=Ae2/Ae1是与温度无关的常数，故只要在电路设计中能保持是与温度无关的常数，故只要在电路设计中能保持I1/I2是常数，则是常数，则 Vbe就是温度就是温度 T的理想线性函数，这就是集成的理想线性函数，这就是集成温度传感器的基本原理。温度传感器的基本原理。集成温度传感器p 集成温度传感器按照其输出形式的不同，可以分为电压型、电流型和频率型三类，前两者应用较广。p 电压型集成温度传感器p 电流型集成温度传感器（ AD590）电压型集成温度传感器1，基本原理电压型温度传感器是指输出电压与温度成正比的温度传感器。 BG3， BG4， BG5PNP晶体管结构性能完全相同， BG3和 BG4组成恒流源，且两者射极电流相同。可得则上述电路的温度系数为电压型集成温度传感器可见，只要两个电阻比为常数，就可以得到正比于绝对温度的输出电压，而输出电压的温度灵敏度即温度系数 T可由电阻比 R2/R1和 BG1， BG2的发射极面积比来调整。若取 R1位为 940， R2为 30k ,为 37，则T可以调整为 10mV/K。电压型集成温度传感器2， 电压型集成温度传感器的电路结构及性能。p 常用的电压型集成温度传感器为四端输出型，代表型号有SL616， LX5600/5700， LM3911， UP515/610A-C和 UP3911等。p 其线路由基准电压、温度传感器和运算放大器部分组成。其中温度传感器是核心电路， 原理是输出电压和温度成正比，即满足下式：电压型集成温度传感器若将图中输入与输出短接，运算放大器起缓冲作用，输出为 10mV/KT，即是 PTAT的输出值。若给输入端加上偏置电压，那么传感器的零输出将由 0K移到与偏置电压对应的温度。只要所选偏置电压为 T设定 10mV/K，传感器的温度达到设定温度 T时，输出为 0。为达到设定温度时输出不为 0，因此遇适当的控制电路相接，此电路可作为温度控制使用。电流型集成温度传感器（ AD590）1， AD590基本原理T3， T4集成在一起，作为电流镜像恒流源，使流过 T1和 T2的电流相等。电路总电流 IT表示为：为了使 IT随温度线性变化，电阻 R必须选用具有零温度系数的薄膜电阻。电流温度系数为：36页图页图 1-47原理图中的 T1、 T2、 T3、 T4分别为右图中的 T9、 T11、 (T1-T2)、 (T3-T4)代替。T9和 T11的发射结面积比为常数 。调解R5可调节传感器的电流。则有：式中式中 R*相当于原理电路的电阻相当于原理电路的电阻 R0。 T12的作用是在刚接通电源的作用是在刚接通电源时，提供一个小电源是传感器开始工作。时，提供一个小电源是传感器开始工作。 T6能使能使 T7和和 T8集电极集电极电压平衡，同时在工作电压接反时又能起到保护器件的作用。电压平衡，同时在工作电压接反时又能起到保护器件的作用。2， AD590的结构及性能AD590是美国哈里斯公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器。AD590有 3种封装形式：T0-52封装、陶瓷封装（测量范围均为 -50+150 ） T0-92封装（测温范围 0+70 ）AD590M的测量范围是 -55 +150 ，最大非线性误差为0.3 ，响应时间仅 20s,线性误差低至 0.05 ，功耗约 2mW。AD590等效于一个高阻抗的恒流源。在工作电压为 +4+30V，测温范围是 -55+150 范围之内 ,对应于热力学温度 T每变化1K，就输出 1A的电流。在298.2K时输出电流恰好等于298.2A。这表明，其输出电流I(A)与热力学温度 T(K)严格成正比。因此，输出电流的微安数就代表着被测温度的热力学温标数。37页图页图 1-50AD590系列产品主要技术指标AD590I AD590J AD590K AD590L AD590M最大非线性误差 / 0.3 1.5 0.8 0.4 0.3额定温度系数 /A/K 1.0额定输出电流 /A 298.2（ +25.2 ）长期温度漂移 / /月 0.1响应时间 /s 20工作电压范围 /V +4 +30型号型号主要技术指标主要技术指标三半导体结型温度传感器的应用应用种类p 温度控制器p 摄氏温度计p 测量温差p 温度开关p 火灾报警电路1，温度控制器p 感温元件为 NPN晶体管的 be结，运算放大器接成滞回电压比较器。电阻 R1、 R2、 RW上部和晶体管、 R4、 RW下部组成测温桥。p 电路具有滞回特性，将温度控制在 T0处（ THL-TLH）范围。p 调节 RW，可改变设定温度，达到控温的目的。40页图页图 1-55a图图温度控制器p AD590， RD、 R+R1+R2上部和 R3+R2下部组成测温电桥。p 调节 R2，设定一温度 T0的参考电压。p 温度变化时，通过 T1和 T2的导通截至，来实现温度控制。40页图页图 1-55b2，摄氏温度计41页图 1-56 当 t为 0 ， V+与地间电位为2.73V，调节 39k和 5k电位器使 V0为 0V，即 2.7k电阻上压降 2.73V，当温度为t 时， V0为V0=V+-2.73V=10(mV/ )t( )其工作温度范围为 -55+150 ,灵敏度为 10mV/K。3，测量温差的方法p 两只 AD590测试电流分别为 I1、 I2，则温差电流 I与温差(T2-T1)成正比。温差电流 I加至运算放大器 UA741的反相输入端，可得到运算放大器输出电压 V0。p 利用 1.0级 1V直流电压表可读出 0100 的温差。若两