传感器原理与应用 第六章6-3.ppt

作 业 传感器原理与应用——第六章 将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。 其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于-50~+150℃温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。 6.4.2 集成温度传感器 晶体管的Ube在Ic恒定条件下，认为与温度呈线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线性项，另外这种关系也不直接与任何温标(绝对、摄氏、华氏等)相对应。此外温敏晶体管Ube值在同一生产批量中，可能有±100mv的离散性。 1. 基本原理 因此集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，采用下图的电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。 电路中ＶＴ1、ＶＴ2是结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流IＣ1和IＣ2下工作。由图可见，R１的电压应为ＶＴ1和ＶＴ2的基极发射极电压差。 图6-29 差分对管电路 IC2 VＴ1 R1 +E ΔUbe R2 IC1 VＴ2 由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比应等于集电极电流密度比，即： 故只要保持两管的集电极电流密度之比不变，R１上的电压ΔUbe将正比于绝对温度T。 若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，则 即Ic2?T。 因此R2上的电压也正比于绝对温度T。 又因为Ic１/Ic2保持不变，则Ic１?T，于是电路总电流 I=（ Ic１+Ic2）?T。 集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。 电压型的温度系数约为10mV/℃； 电流型的温度系数约为1μA/℃。 这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。 2. 集成温度传感器的信号输出方式 右图所示电路常被称为 电流镜PTAT核心电路。 该电路是在差分对管电路的基 础上，用两只PNP管分别与ＶT1 和ＶT2串联组成所谓的电流镜， 两PNP管具有完全相同的结构和 性能，且发射极偏压相同，故流过ＶT1和ＶT2的集电极电流在任何温度下始终相等。 (1) 电流型集成温度传感器 图6-30 电流输出型电路 VＴ4 + - VＴ3 R1 I1 I2 VＴ1 VＴ2 若PTAT核心电路中两管增益无穷大，则可忽略Ic随集电极电压Ube变化和基极电流的影响。为使ＶT1和ＶT2工作在不同的Jc下，两管必须采用不同的发射极面积。设ＶT1和ＶT2发射极面积之比γ＝８，则两管的电流密度比为其面积的反比。只要在电路的两端施加高于2Ube的电压，R1上得到的电压为： 故流过该电路的总电流为： 若电阻R1的温度系数为零，则电路的总电流正比于绝对温度。若取R1=358Ω，代入上式可求得电路的输出灵敏度为1μA/K。 美国AD公司生产的AD590、我国产的SG590都是典型的电流输出型温度传感器。它们的基本电路与图6-30一样，只是还增加了一些附加电路以提高其性能。 AD590和AD592是电流输出，二端子IC温度传感器，测温范围为-55℃~+150℃， 灵敏度为1μA/K，Vcc为+4V~+30V。 AD590是利用温度系数很小的电阻把PTAT电压变换成PTAT电流。利用晶体管的阻抗变换特性使集电极获取高阻抗电流输出，从而可串接阻抗很大的负载把信号放大，使电路的总电流与温度系数很小的电阻中的电流成固定比例关系，而与其制造工艺无关。 附：单片双端集成温度传感器AD590 T3 T1 T2 - T4 T6 T5 T7 T8 T12 T9 T10 T11 R6 R5 R3 R4 R1 R2 C I2 I1 T1，T2， T3，T4的发射极连在一起接到R1上，T6的发射极则接到R2上。 R1 = R2 /4，这使流过T1~T4的总电流与流过T6的电流之比更好地符合4：1，克服了因T6集电极电位与其它NPN管集电极电位不同而引起的误差。 在T7的集电极回路中增加了一个二极管接法的PNP管T5，它的作用除了与T6对称以平衡T7和T8的集电极电压，以减小T7和T8基区调制效应引起的误差之外，还对器件提供了很好的保护作用。如果没有T5 ，在万一电源极性接反，就会有大电流流过把器件烧坏。 T12是一个结型场效应管，实际上是一个高值电阻。它的作用是保证电路在接上电源时能可靠地启动。流过T12的电流最后也流过T10，因此不会产生附加的误差电流。 电容C和电阻R3、R4是为了防止寄生振荡。 T8，T11是产生基-射电压正比于绝对温度的晶体管， R5、R6将电压转换电流。T10的集电极电流跟踪T9和T11集电极电流，它提供所有的偏置及电路其余部分基底漏电流，从而迫使总电流正比于绝对温度。 电路中电流I1决定