lecture4.2温度传感器(PN结温度传感器

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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：①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：②又因为反向饱和电流为：③A为发射结面积

2、，η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③式带入①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

3、，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，η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

4、，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，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±100

5、mV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ΔVbe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γ=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ΔVbe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

6、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αT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940Ω

7、，R2为30kΩ,Γ为37，则αT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/K·T，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

8、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）