Кремниевый датчик температуры запрещенной зоны

Кремниевый датчик температуры с запрещенной зоной — это чрезвычайно распространенная форма датчика температуры ( термометра ), используемая в электронном оборудовании. Его главное преимущество состоит в том, что его можно включить в кремниевую интегральную схему по очень низкой цене. Принцип работы датчика заключается в том, что прямое напряжение кремниевого диода , который может быть переходом база-эмиттер биполярного транзистора (BJT), зависит от температуры в соответствии со следующим уравнением: ^[1]

V_{BE}=V_{G0}\left(1-{\frac {T}{T_{0}}}\right)+V_{BE0}\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)+\left({\frac {nkT}{q}}\right)\ln \left({\frac {T_{0}}{T}}\right)+\left({\frac {kT}{q}}\right)\ln \left({\frac {I_{C}}{I_{C0}}}\right)\,

где

T = температура в Кельвинах ,

Т ₀ = эталонная температура,

V _{G 0} = запрещенной зоны напряжение при абсолютном нуле ,

V _{BE 0} = напряжение перехода при температуре T ₀ и токе I _C0 ,

k = постоянная Больцмана ,

q = заряд электрона ,

n = константа, зависящая от устройства.

Сравнивая напряжения двух переходов при одинаковой температуре, но при двух разных токах I _C1 и I _C2 , многие переменные в приведенном выше уравнении можно исключить, в результате чего получится соотношение:

\Delta V_{BE}={\frac {kT}{q}}\cdot \ln \left({\frac {I_{C1}}{I_{C2}}}\right)\,

Обратите внимание, что напряжение перехода является функцией плотности тока, т.е. тока/площади перехода, и аналогичное выходное напряжение может быть получено при работе двух переходов при одном и том же токе, если площадь одного из них отличается от другого.

Схема, которая заставляет I _C1 и I _C2 иметь фиксированное соотношение N:1, ^[2]дает отношение:

\Delta V_{BE}={\frac {kT}{q}}\cdot \ln \left(N\right)\,

электронную схему, такую как эталон запрещенной зоны Брокау , которая измеряет Δ V _BEТаким образом, для расчета температуры диода можно использовать . Результат остается действительным примерно до температуры от 200 °C до 250 °C, когда токи утечки становятся достаточно большими, чтобы исказить результаты измерения. Выше этих температур такие материалы, как карбид кремния вместо кремния можно использовать .

Разность напряжений между двумя переходами (например, ) плотностях тока, пропорциональна pn - абсолютной , работающими при температуре диодами разных (PTAT).

Схемы PTAT, использующие транзисторы BJT или CMOS, широко используются в датчиках температуры (где мы хотим, чтобы выходной сигнал менялся в зависимости от температуры), а также в источниках опорного напряжения запрещенной зоны и других схемах температурной компенсации (где мы хотим, чтобы выходной сигнал был одинаковым при любой температуре). ^[2]^[3]^[4]

Если высокая точность не требуется, достаточно сместить диод с любым постоянным малым током и использовать его тепловой коэффициент -2 мВ/˚C для расчета температуры, однако для этого требуется калибровка для каждого типа диода. Этот метод распространен в монолитных датчиках температуры. ^{[ нужна ссылка ]}

Ссылки

^ Видлар, Р.Дж. (январь 1967 г.). «Точное выражение температурного изменения напряжения базы эмиттера биполярных транзисторов» . Труды IEEE . 55 (1): 96–97. дои : 10.1109/PROC.1967.5396 . ISSN 0018-9219 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Джеймс Брайант. «Датчики температуры IC». Архивировано 27 августа 2013 г. на archive.today .Аналоговые устройства.2008.
^ К. Росси, К. Галуп-Монторо и М. К. Шнайдер. «Генератор напряжения ПТАТ на основе МОП-делителя напряжения» .Конференция и выставка по нанотехнологиям, Технические труды, 2007 г.
^ Андре Луис Айта и Сесар Рамос Родригес. «Несоответствие источников тока PTAT CMOS по температуре» .26-й симпозиум по интегральным схемам и проектированию систем (SBCCI 2013).2013.

Внешние ссылки

Теория измерения температуры и практические методы , Аналоговые устройства
Прецизионные монолитные датчики температуры , TI (ранее National Semiconductor)

[1] Видлар, Р.Дж. (январь 1967 г.). «Точное выражение температурного изменения напряжения базы эмиттера биполярных транзисторов» . Труды IEEE . 55 (1): 96–97. дои : 10.1109/PROC.1967.5396 . ISSN 0018-9219 .

[bryant-2] Перейти обратно: ^а ^б Джеймс Брайант. «Датчики температуры IC». Архивировано 27 августа 2013 г. на archive.today .Аналоговые устройства.2008.

[3] К. Росси, К. Галуп-Монторо и М. К. Шнайдер. «Генератор напряжения ПТАТ на основе МОП-делителя напряжения» .Конференция и выставка по нанотехнологиям, Технические труды, 2007 г.

[4] Андре Луис Айта и Сесар Рамос Родригес. «Несоответствие источников тока PTAT CMOS по температуре» .26-й симпозиум по интегральным схемам и проектированию систем (SBCCI 2013).2013.

[1]

[2]

[3]

[4]