Интегральные датчики температуры

Интегральные датчики температуры (ИДТ) широко применяются в электронной аппаратуре. С одной стороны, это связано с необходимостью обеспечения требуемых характеристик аппаратуры в широком диапазоне температур и питающих напряжений, а с другой – с проблемой обеспечения оптимальных тепловых параметров элементов и защиты их от перегрева и потери точности, связанных с нарушением режима питания.

Работа большинства интегральных термодатчиков [1] основана на использовании напряжения на прямо смещенном кремниевом p-n-переходе. Величина этого напряжения имеет следующий вид:

(9.1)

где U – напряжение на переходе,

k – постоянная Больцмана,

T – абсолютная температура,

q – заряд электрона,

I – ток через переход,

I_s – обратный ток насыщения, величина которого зависит от конфигурации и температуры перехода.

Однако непосредственное применение формулы (9.1) для точного измерения температуры затруднительно по двум причинам: во-первых, существует значительный разброс «начального» прямого падения напряжения на переходе, связанный с технологией изготовления последнего, а во-вторых, существенный вклад в значение U(T) вносит температурная зависимость I_s. Для исключения данных эффектов измерение температуры в ИДТ производится по разности напряжений двух p-n-переходов, а точнее напряжений база-эмиттер ΔU_бэ двух интегральных транзисторов с различной плотностью токов эмиттера, для чего можно использовать транзисторы с разными площадями эмиттерных переходов или набор одинаковых транзисторов, соединенных параллельно. Разность напряжений ΔU_бэ одиночного транзистора VT₁ и транзистора VT₂, образованного N параллельно соединенными такими же транзисторами, при равных токах их коллекторов пропорциональна величине абсолютной температуры согласно формуле:

(9.2)

Одна из типовых схем измерения температуры, реализующая описанный принцип, так называемая ячейка Брока (Brokaw Cell), приведена на рис. 9.6.

Рисунок 9.6 – Схема измерения температуры и получения прецизионного опорного напряжения на ширине запрещенной зоны (Band Gap)

Как видно из рис. 9.6, токи эмиттера и коллектора транзистора VT₂ (последний представляет собой N включенных параллельно транзисторов, идентичных VT₁) определяются отношением ΔU_бэ/R₂, где ΔU_бэ – разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT₁ и VT₂. Протекая через резистор R, ток коллектора VT₂ создает на нем падение напряжения ΔU_бэ×(R/R₂), следовательно, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя (ОУ) равно разности U_вх – ΔU_бэ×R/R₂. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ равно той же величине с точностью до десятков микровольт, а поскольку в цепи коллектора VT₁ установлен резистор с тем же номиналом R, токи коллекторов транзисторов I₁ и I₂ оказываются равными, и они суммируются на резисторе R₁. В результате падение напряжения на R₁ будет пропорционально абсолютной температуре и определяется формулой:

(9.3)

Термопары