Кремниевый датчик температуры запрещенной зоны - Silicon bandgap temperature sensor

В кремниевый датчик температуры запрещенной зоны является чрезвычайно распространенной формой датчика температуры (термометр ) используется в электронном оборудовании. Его главное преимущество в том, что он может быть включен в кремний Интегральная схема по очень низкой цене. Принцип действия датчика заключается в том, что прямое напряжение кремний диод, который может быть переходом база-эмиттер биполярный переходной транзистор (BJT), зависит от температуры согласно следующему уравнению:

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

куда

Т = температура в кельвины,

Т₀ = эталонная температура,

V_грамм0 = запрещенная зона напряжение на абсолютный ноль,

V_БЫТЬ0 = напряжение перехода при температуре Т₀ и текущие я_C0,

k = Постоянная Больцмана,

q = заряд на электрон,

п = константа, зависящая от устройства.

Схема Ссылка на запрещенную зону Brokaw

Сравнивая напряжения двух переходов при одинаковой температуре, но при двух разных токах, я_C1 и я_C2, многие переменные в приведенном выше уравнении могут быть исключены, что приведет к соотношению:

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

Обратите внимание, что напряжение перехода является функцией плотности тока, то есть тока / площади перехода, и аналогичное выходное напряжение может быть получено при работе двух переходов с одним и тем же током, если один имеет площадь, отличную от другой.

Схема, которая заставляет я_C1 и я_C2 иметь фиксированное соотношение N: 1,^[1]дает отношения:

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

Электронная схема, такая как Ссылка на запрещенную зону Brokaw, измеряющий ΔV_БЫТЬ поэтому может использоваться для расчета температуры диода. Результат остается в силе примерно до 200–250 ° C, когда токи утечки становятся достаточно большими, чтобы исказить измерение. Выше этих температур такие материалы, как Карбид кремния можно использовать вместо кремния.

Разница в напряжении между двумя p-n переходы (например. диоды ), работающих при разной плотности тока, ппропорциональный то аабсолютный ттемпература (PTAT).

Цепи PTAT с использованием транзисторов BJT или CMOS широко используются в датчиках температуры (где мы хотим, чтобы выходной сигнал изменялся в зависимости от температуры), а также в опорных напряжениях с запрещенной зоной и других схемах компенсации температуры (где нам нужен одинаковый выход при каждой температуре).^[1][2][3]

Если высокая точность не требуется, достаточно смещать диод любым постоянным малым током и использовать его тепловой коэффициент -2 мВ / C для расчета температуры, однако это требует калибровки для каждого типа диода. Этот метод распространен в монолитных датчиках температуры.^{[нужна цитата ]}

Рекомендации

• Р. Дж. Видлар (январь 1967 г.). «Точное выражение для теплового изменения напряжения базы эмиттера биполярных транзисторов». Труды IEEE. 55 (1): 96–97. Дои:10.1109 / PROC.1967.5396.

внешняя ссылка

• Теория и практические методы измерения температуры, Analog Devices
• Прецизионные монолитные датчики температуры, TI (ранее National Semiconductor)