Датчик температуры на основе кремниевой запрещенной зоны

Датчик температуры с кремниевой запрещенной зоной является чрезвычайно распространенной формой датчика температуры ( термометра ), используемого в электронном оборудовании. Его главное преимущество заключается в том, что он может быть включен в кремниевую интегральную схему по очень низкой цене. Принцип действия датчика заключается в том, что прямое напряжение кремниевого диода , который может быть переходом база-эмиттер биполярного транзистора (BJT), зависит от температуры, согласно следующему уравнению: ^[1]

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

где

T = температура в градусах Кельвина ,

T ₀ = опорная температура,

V _{G 0} = напряжение запрещенной зоны 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.

Схема эталона запрещенной зоны Брокау

Сравнивая напряжения двух переходов при одинаковой температуре, но при двух разных токах, I _C1 и I _C2 , можно исключить многие переменные в приведенном выше уравнении, что приводит к следующему 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, т. е. тока/площади перехода, и аналогичное выходное напряжение можно получить, работая на двух переходах при одном и том же токе, если площадь одного из них отличается от площади другого.

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

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

Электронная схема, например, Brokaw bandgap reference , которая измеряет Δ V _BE, может быть использована для расчета температуры диода. Результат остается верным до температуры от 200 °C до 250 °C, когда токи утечки становятся достаточно большими, чтобы исказить измерение. Выше этих температур вместо кремния можно использовать такие материалы, как карбид кремния .

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

Схемы PTAT, использующие либо BJT, либо CMOS-транзисторы, широко используются в датчиках температуры (где мы хотим, чтобы выходной сигнал изменялся в зависимости от температуры), а также в источниках опорного напряжения с запрещенной зоной 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 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. ^{[ необходима цитата ]}

Ссылки

1. Видлар, Р. Дж. (январь 1967 г.). «Точное выражение для теплового изменения напряжения эмиттер-база биполярных транзисторов». Труды IEEE . 55 (1): 96–97. doi :10.1109/PROC.1967.5396. ISSN  0018-9219.
2. Джеймс Брайант. "Датчики температуры ИС" Архивировано 27.08.2013 в archive.today . Analog Devices. 2008.
3. C. Rossi, C. Galup-Montoro и MC Schneider. "Генератор напряжения PTAT на основе делителя напряжения MOS". Конференция и выставка по нанотехнологиям, Технические труды, 2007.
4. Андре Луис Айта и Сезар Рамос Родригес. «PTAT CMOS Current Sources Mismatch over Temperature». 26-й симпозиум по интегральным схемам и проектированию систем (SBCCI 2013). 2013.

Внешние ссылки

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