Полупроводниковые датчики температуры на основе р-n перехода

 

Рис. 16.19.Датчики температуры на основе прямосмещенного р-n перехода: А - диод,

Б - транзистор, включенный по схеме диода

Характеристики полупроводникового р-n перехода в диодах и биполярных транзис­торах довольно сильно зависят от темпера­туры. Если прямосмещенный переход соединить с генератором постоянного тока (рис. 16.19А), вы­ходное напряжение, снимаемое с него, бу­дет прямо пропорционально изменению его температуры (рис. 16.20). Достоинством такого датчика является его линейность, что дает возможность проводить его калировку только по двум точкам определения наклона прямой и ее пересечения с координатной осью (наклон прямой характеризует чувствительность детектора).

 

 

 

 

Рис. 16.20. Зависимость на­пряжения от температуры для прямосмещенного по­лупроводникового

перехо­да, снятая в условиях по­стоянного тока

Зависимость тока от напряжения для р-n перехода в диоде можно выразить в следующем виде:

(16.45)

где I₀ — ток насыщения, величина которого сильно зависит от температуры. Мож­но показать, что зависимость напряжения на переходе от температуры имеет сле­дующий вид:

(16.46)

где Е_g — ширина зоны запрещенных энергий для кремния при температуре абсо­лютного нуля (0 К),

q — величина заряда электрона, К— константа, независящая от температуры. Из уравнения (16.46) видно, что при работе р-n перехода в усло­виях постоянного тока, напряжение на нем пропорционально его температуре, а наклон этой зависимости определяется следующим выражением:

(16.47)

Например, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, темпера­турная чувствительность равна —2.3 мВ/°С, а при токе 1 мА, она падает до —2.0 мВ/°С. Любой диод или биполярный транзистор могут быть использованы в ка­честве датчиков температуры. На рис. 16.19Б показана схема детектора темпера­туры на базе транзистора, в которой вместо источника тока используется источ­ник напряжения и резистор R. Ток, протекающий через транзистор, можно найти из выражения:

(16.48)

 

 

 

Рис. 16.21.Зависимость погрешности измерений от температуры, построен­ная для датчика

температуры, реализо­ванного на основе кремниевого транзи­ стора PN100

Рекомендуется работать при токе 100 мкА. Тогда при Е = 5 В и V≈0.6 В, сопро­тивление

R = (E-V)/I=44 кОм. При увеличении температуры напряжение V падает, что приводит к незначительному увеличению тока I. В соответствии с уравне­нием (16.47) это вызывает некоторое снижение чувствительности, которая выра­жается в появлении нелинейности. Этой нелинейностью в ряде случаев можно пренебречь, однако иногда при обработке сигналов ее приходится учитывать. Бла­годаря простоте и очень низкой стоимости, транзисторные (диодные) датчики тем­пературы получили довольно широкое распространение. На рис. 16.21 показана зависимость погрешности измерений датчика температуры, реализованного на основе транзистора PN100, от температуры при рабочем токе 100 мкА. Как видно из рисунка, погрешность измерений довольно мала, и во многих случаях можно даже обойтись без коррекции нелинейности.

Детекторы температуры на основе диодов часто встраиваются в кремниевую подложку монолитных датчиков для осуществления температурной компенсации. Например, такие детекторы методом диффузии формируются на мембранах крем­ниевых микродатчиков давления для компенсации температурной зависимости пьезорезистивных элементов.

Напряжение на транзисторах всегда пропорционально абсолютной темпера­туре в Кельвинах. На основе этого свойства можно реализовать недорогой, но достаточно точный датчик температуры. В этом датчике можно либо непосред­ственно измерять напряжение, либо предварительно преобразовать напряжение в ток, по величине которого определять температуру. Такой полупроводни­ковый датчик температуры построен на основе зависимости между напряжением база-эмиттер (V_BE) и коллекторным током биполярного транзистора. На рис. 16.22А показана упрощенная схема детектора температуры. В этом датчике тран­зисторы Q₃и Q₄ формируют, так называемое, токовое зеркало, вырабатывающее два одинаковых тока I_С1=Iи I_C2=I, которые поступают на транзисторы Q₁и Q_2. Величина коллекторных токов определяется сопротивлением R. В монолитной схеме транзистор Q₂, как правило, состоит из нескольких идентичных транзисто­ров (например, 8), включенных параллельно. Поэтому плотность тока в Q₁, будет в восемь раз больше, чем на каждом из транзисторов, входящих в состав Q₂ Раз­ность напряжений база-эмиттер двух транзисторов Q₁ и Q₂равна:

(16.49)

 

где г—множитель тока (8 в нашем примере), к — постоянная Больцмана, q — заряд электрона, Т — температура в Кельвинах. Ток 1_сео одинаков для обоих транзисто­ров. Ток, протекающий через резистор R, создает на нем напряжение V_T= 179 мкВ/К, величина которого не зависит от токов на коллекторах. Исходя из этого, мож­но найти выражение для суммарного тока, протекающего через датчик:

(16.50)

При r=8и R=358 Ом, данный датчик обладает линейной передаточной функци­ей:

I_T/T=1мкА/К.

 

Рис. 16.22.Упрощенная схема полупроводникового датчика температуры (А) и

зависимости тока от напряжения (Б)

 

 

Рис. 16.23.Типовая передаточная функция полупроводникового датчика температуры LM35DZ (Напечатано с разрешения National Semiconductors, Inc).

На рис. 16.22Б показаны зависимо­сти тока от напряжения, построенные для разных температур. Отметим, что значение выражения в круглых скобках в уравнении (16.50) в данном конкрет­ном случае является постоянной величи­ной и может быть точно подстроено в процессе изготовления для получения требуемого наклона I_T/T. Ток I_Tлегко преобразуется в напряжение. Например, если последовательно с датчиком вклю­чить резистор номиналом 10 кОм, напряжение на нем будет прямо пропор-
ционально абсолютной температуре.

Работа упрощенной схемы, показанной на рис. 16.22 , соответствует уравнениям (16.49) и (16.50) только в случае использования идеальных транзис­торов, у которыхПоскольку таких транзисторов не бывает, в схемы, приме­няемые на практике, приходится вводить много дополнительных компонентов. Многие фирмы выпускают датчики температуры, реализованные на этом прин­ципе. Среди них LM35 (National Semiconductors) — с выходом по напряжению и AD590 (Analog Devices) — с токовым выходом.

На рис. 16.23 показана передаточная функция датчика LM35Z, чувствитель­ность которого настроена на уровень 10 мВ/°С. Погрешность нелинейности такого датчика невелика, обычно она не выходит за пределыПередаточную функцию такого датчика можно описать следующим выражением:

(16.51)

где Т— температура в градусах Цельсия. В идеале V_o равно нулю, однако, на прак­тике его значение колеблется в пределах +10 мВ, что соответствует погрешности ГС. Величина наклона а, как правило, находится в пределах 9.9...10.1 мВ/°С.