一种高性能温度变换器的研制

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1、第10卷第12期电子元器件主用Vo1．1ONo．122008年l2月ElectronicComponent＆DeviceApplicationsDec．20o8一种高性能温度变换器的研制尚玉凤，李振亚(中国电子科技集团公司g43~t：f．所，安徽合肥230022)摘要：阐述了高性能温度变换器的工作原理，给出了以厚膜工艺和精密薄膜电阻网络相结合的混合集成电路工艺来研制高性能温度变换器的关键技术，并对其可靠性设计做了介绍。关键宇：温度变换器；铂电阻；薄膜电阻网络；仪表放大器；电磁干扰0引言2．1桥路分析把传感器测温电阻Rt的变化阻值AR通过图2温度变换器的作用是把温度传感器f铂电阻所示的桥路电

2、压取样电路转换成电压△u。，然后阻值)随温度变化的信号。通过变换器电路的处加到后级仪表放大器。即可将AR的变化转换成理．然后输出0—5V的线性电压信号和0一l0mA电压的变化，AR与AUo的变换关系见公式(1)。的线性电流信号；其输出电压对应的取样电阻温本系统使用的是PIO0(铂)电阻传感器，其电阻度范围为一30～+70℃，输出电流对应的传感器电温度变化系数约为0．385n／度。阻的测温范围一80～+80~C和一150+1O0~C。1设计原理为满足用户技术协议指标要求，本设计采取成熟的厚膜与高精密的薄膜电阻网络相结合的工艺，来保证产品的电性能精度指标和体积尺寸等要求。其电路原理框图如图1所

3、示。．电源正向电源负向图2桥路电压取样限流保护限流保护IIAUo—Ur／48(1)誓勰式中，6=△R／R，而R则为调零电阻，Ur为基准电压。负载2-2仪表放大器设计Rt的温度变化阻值通过桥路取样后，取出的变化电压AUo仅是mV级的弱信号。因此，只有将图1系统工作原理框图AUo通过后级放大，才能输出0～5V的电压。本设计采用仪表放大器的原因是其具有如下2电路分析特点：(1)非常高的共模和差模输入阻抗；该电路主要由桥路电压取样、仪表放大器、(2)非常低的输出阻抗；电压／电流转换器组成。(3)具有非常准确的增益，一般在1～10V／v范围内：收稿日期：2008—10—3162电手元器件主用2008

4、．12妣．eC~CLCTt第lO卷第l2期20o8年l2月避错廖V01．1ONo．12Dee．2o08f4)非常高的共模抑制比。2．3电压，电流转换器电路设计仪表放大器通常有两种形式：一是三运算放本系统中的电压，电流转换电路如图4所示。大器组成的仪器放大器；二是单片仪表放大器。通过理论分析可以证明：该电路的输入电压和输图3所示是其两种形式的电路示意图。其中单片出电流的关系仅与电阻R。有关。仪表放大器的放大倍数的增益计算非常简单。只R10与电阻RG有关，其计算公式如下：Q图4电压，电流转换电路2．4正负电源的过流保护及电源滤波为了提高整机系统的可靠性．本设计要求温度变换器有正负电源的过流保护

5、功能。图5所示(a)三运放电路是其过流保护和电源滤波电路。(b)单片仪表放大器图3两种仪表放大器电路K=49．4，RG+lR~-49．4jK其中为仪表放大器的放大倍数。而在尺=R6，RF．R，Rl：R2时，其三运放的增益为：图5过流保护和电源滤波三运放的增益=(I+2R。G)5／R3)图5中R13、R14具有正、负电源过流保护作两种仪表放大器的元件数是：三运放为9个用。由于产品本身存在短路或局部短路时．电源元件，而单片电路仅一个元件，可见其元件数可电流会增大，而R13、R14电阻会限制电源电流大大减少，这不仅使其产品体积缩小得到保证．过大，从而起到对外电源的保护作用。同时其可靠性也能得到提

6、高。其次，在功耗方此外，图中的C3、C4、125、C6可起到抗电面，三运放的电源电流为9mA，而单运放仅为磁干扰作用，C4、C6(采用小容量1可对电源起1．3mA。此外，在增益准确性方面，三运放的增到高频滤波作用；而C3、C5(容量较大)可对电益参数与多个电阻有关，它的差异使G夕卜调的增源起到低频滤波作用。益电阻阻值范围变大，输出增益一致性参数较差；而单片运放电路则十分简单，只与R。电阻有3关键技术关，而且具有稳定准确的增益。3．1输出精度的提高为此，本系统中的温度变换器采用了单片仪表放大器。为了更好的满足系统整机的需要，要求对电．ecda,cr1．2008．12电子元嚣件主硐63第1O卷

7、第l2期电子元器件主用Vol_l0No．122OO8年l2月ElectronicComponent&DeviceApplicationsDec．2o08路的转换精度进行进一步优化。由图2可知，导该产品在系统中使用时，其外接传感器引线致该电路输出非线性的原因是传感器本身的非线长达l0米。这样，当系统中的大功率器件启动性和桥路取样电阻的精度误差。因此，要提高输时．引线就相当于天线，它会把电磁场干扰引进出精度，就应在电路中对传