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1、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,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。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,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：二极管温度传感器晶体管温度传感器,（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。,
2、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。,将式带入式，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
3、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Ic 仅取决于电阻Rc和电源电压E即Ic=E/Rc，而与温度无关，从而保证了恒流源工作条件，
4、使电压Vbe随T近似线性下降。,二,集成温度传感器,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。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。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
5、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BG1、BG2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I1/I2是常数，则Vbe就是温度T的理想线性函数，这就是集成温度传感器的基本原理。,集成温度传感器,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。电压型集成温度传感器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
6、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。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。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
7、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
8、零温度系数的薄膜电阻。电流温度系数为：,36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R*相当于原理电路的电阻R0。T12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。T6能使T7和T8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。,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+
9、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1-50,AD590系列产品主要技术指标,型号,主要技术指标,三,半导体结型温度传感器的应用,应用种类,温度控制器摄氏温度计测量温差温度开关火灾报警电路,1，温
10、度控制器,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。电路具有滞回特性，将温度控制在T0处（THL-TLH）范围。调节RW，可改变设定温度，达到控温的目的。,40页图1-55a图,温度控制器,AD590，RD、R+R1+R2上部和R3+R2下部组成测温电桥。调节R2，设定一温度T0的参考电压。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1-55b,2，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
11、，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,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。利用1.0级1V直流电压表可读出0100的温差。若两点温差很小，应该用直流毫伏计测量温差，以减小读数误差。RP是校准电位器，使T2=T1和T=0时电压表读数为零。,41页图1-57,测量温差的方法,如果对准确度要求不高，亦可采用简便电路。AD5901，AD5902单独供电，温差电流通过微安表来反映出两点的温差值。这里的微安表实际是20A的零位指示计（检零计）。电路测量温差范围是-20+20,42页图1-58,4，温度开关,在温控晶闸管的阳极和阴极之间介入交流电源和负载。温度超过设定值时，温控晶闸管导通，被整流的半波电流流过负载。温度继续上升，温控晶闸管导通状态不变。温度下降到开关温度T之下，温控晶闸管断开。电路中负载R，可根据需要用温度指示灯，继电器，晶体管控制电路等。,42页图1-59,5，火灾报警电路,当某一路中的环境温度达到温控晶闸管的开启电压温度时，这一路线是盘上的发光二级管显示，同时蜂鸣器也发出蜂鸣信号，表示某房间失火，起到温度报警的作用。,42页图1-60,
