Hапівпровідниковий датчик температури

1. Полупроводниковый датчик температуры, содержащий два р-n переходных устройства разной площади, отличающийся тем, что переходные устройства соединены последовательно, точка их соединения - средний вывод датчика, противоположные выводы являются выводами для подключения источника тока питания, средний и противоположные выводы являются сигнальными выводами датчика. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что одним из р-n переходных устройств является транзистор, база и коллектор которого соединены, а другим несколько параллельно соединенных транзисторов, база и коллектор которых соединены. 3. Датчик по п. 1 или п. 2, отличающийся тем, что дополнительно введено суммирующее устройст C2 (54) HАПІВПРОВІДНИКОВИЙ Д АТЧИК ТЕМП ЕРАТУРИ 42808 Согласно [3], напряжение на p-n переходе, в функции от тока I, UT=φTІn(I/IT) (1) (для перехода на основе кремния с I/IT>1), где: φT=kT/q - независимый от перехода температурный потенциал, пропорциональный абсолютной температуре T (k и q - постоянная Больцмана и заряд электрона); IТ=I0e xp[φ2(1/φ0-1/φT)] - тепловой ток перехода; I0 и φ0 - значения IT и φт при температуре T0, от которой отсчитывается изменение температуры ΔT (T=T 0+ΔT); φ2 - потенциальный параметр полупроводника ("ширина запрещенной зоны"). Для измерения температуры используют область положительных напряжений на переходе, в которой характеристика (1) совпадает с характеристикой реального перехода. В результате, UT=U0+ΔUT; U0=φ0 Іn(I/I 0); ΔUT=-εΔT (2) - напряжения на переходе при T и T0 и изменение напряжения, обусловленное изменением температуры ΔT, ε=(φ3-U0)/T 0=[φ2-φ 0Іn(I/I0)]/T 0 (3) Зависимость U0 и ΔUT от нестабильных величин φ3 и I0 приводит к снижению точности измерения температуры, что является недостатком первого аналога. Рассмотрим полупроводниковые датчики (второй и третий аналоги), в которых сравниваются напряжения на двух однотипных переходах при разных токах переходов I1 и I2 : UT=UT1-UT2=φTІn(I1/IТ)-φTІn(I2/IТ)=φTІn(I1/I2)=gT (4) и, соответственно, UT=U0+ΔUT; U0=gT 0; ΔUT=gΔT, (5) где g=(k/q)ln(I1/I2)=const при I1/I2=const. В (5) исключена зависимость U0 и ΔUT от параметров перехода, используемого для измерений, и, тем самым, повышена точность измерений в широком диапазоне температур. Важным является соблюдение условия I1/I2=const, нарушение которого снижает точность измерений. В качестве второго аналога рассмотрим датчик AD590 согласно [4], а также [2], (с. 2, рис. 1). Схема измерения, в упрощенном виде, содержит две параллельные ветви измерительных транзисторов, запитанных равными токами I1 и I2. В одной ветви - транзистор VТ1, в другой - восемь параллельно включенных транзисторов VT2 с общим эмиттерным резистором R и токами I2/8 в каждом транзисторе. Базы транзисторов VT1 и VT2 соединены. Падение напряжения на резисторе R равно разности напряжений UT на эмиттерных переходах транзисторов VT1 и VT2 согласно (4). При этом I2=UT/R, а, суммарный ток датчика равен Iдат=I1+I 2=2UT/R=KTT, (6) где, с учетом (4), KT=2g/R мкА/К, и используется в качестве выходного тока AD590. Недостатки второго аналога - возможное неравенство I1 и I2 в диапазоне измеряемых температур, обусловленное формированием их разными, хотя и связанными, источниками, и сложность полной схемы датчика, направленной на обеспечение равенства (6). В качестве третьего аналога рассмотрим датчик LM60B/LM60C согласно [5], a также [2], (c. 2, рис. 2). Схема измерений, в упрощенном виде, также содержит две ветви измерительных транзи сторов (один VT1 и десять VT2), но без резистора R. База VТ1 соединена с базой VT2 через делитель из R1 и R2, являющийся одновременно эмиттерной нагрузкой еще одного транзистора VT3. В цепи коллектора VT1 включен источник тока I1, a в общей эмиттерной цепи VT1 и VT2 - источник тока 2I1. При этом ток группы транзисторов VT2 равен I2=2I1-I1. База VT3 соединена с коллектором VT1. Падение напряжения на R1 равно разности напряжений UT на переходах VT1 и VТ2 согласно (4), а напряжение на эмиттере VT3 (делителе из R1 и R2) Uдат=KTT, где КТ=g(1+R2/R1) мВ/К. Недостатки третьего аналога - те же, что и второго аналога. С точки зрения предлагаемого датчика второй и третий аналоги однотипны, и недостатки у них одни и те же. Поэтому в качестве прототипа выбран второй аналог. В основу изобретения, полупроводникового датчика температуры, поставлена задача - путем изменения схемы датчика обеспечить повышение точности измерений и упрощение схемы. Поставленная задача решается тем, что в полупроводниковом датчике температуры (датчик 1), содержащем два p-n переходных устройства разной площади, согласно изобретению, переходные устройства соединены последовательно, точка их соединения - средний вывод датчика, противоположные выводы являются выводами для подключения источника тока питания, средний и противоположные выводы являются сигнальными выводами датчика. P-n переходное устройство - это устройство, обладающее свойствами p-n перехода: диод, транзистор, у которого используются вывод базы и вывод эмиттера или коллектора, транзистор, у которого выводы базы и коллектора соединены и т. д. В качестве p-n переходов могут быть использованы не только обычные p-n переходы, но и разновидности переходов: p-i-n, p-n-n+ и др. Наряду с датчиком 1 предлагается его конкретизация: в датчике (датчик по п. 2, зависимый от датчика по п. 1), одним из p-n переходных устройств является транзистор, база и коллектор которого соединены, а другим - несколько параллельно соединенных транзисторов, базы и коллекторы которых соединены. Особенностью датчика является то, что он запитывается от одного источника тока. Ток является одним и тем же для обоих переходных устройств (датчик 1), в том числе для одного и нескольких транзисторов (датчик по п. 2), т.е. обеспечивается абсолютное равенство токов, так как эти два тока - один и тот же ток. В результате, предложенный датчик 1, в том числе датчик 2, обладает положительными свойствами прототипа и, в то же время, лишен его недостатков. Возможны варианты съема сигнала с датчика 1 (2): - суммирование напряжений, снимаемых с противоположных выводов датчика, одно из которых равно UT1, а др угое равно -UT2 (относительно среднего вывода), т.е. UT=UT1-UT2 (возможен вариант с UT=-UT1+UT2); - вычитание напряжений, снимаемых с одного противоположного вывода и равного UT1+UT2 и 2 42808 со среднего вывода и равного, с учетом дополнительного усиления в два раза, 2UT2 (относительно другого противоположного вывода), т.е. UT=(UT1+UT2)-2UT2=UT1-UT2 (возможен вариант с UT=-UT1+UT2). Полученные выражения соответствуют (4) и (5). Предложенный датчик в этом смысле аналогичен первому аналогу. Для реализации указанного съема сигнала предлагаются: - датчик (датчик по п. 3, зависимый от датчика по п. 1, в том числе по п. 2), отличающийся тем, что дополнительно введено суммирующее устройство, общий вывод входов которого соединен со средним выводом датчика, суммирующие входы соединены с противоположными выводами датчика, а выход суммирующего устройства является выходом датчика; - датчик (датчик по п. 4, зависимый от датчика по п. 1, в том числе по п. 2), отличающийся тем, что дополнительно введено вычитающее устройство, общий вывод входов которого соединен с одним из противоположных выводов датчика, один из входов вычитающего устройства соединен с другим противоположным выводом датчика, другой из входов, с в два рада большим коэффициентом передачи, - со средним выводом датчика, а выход вычитающего устройства является выходом датчика. На выходе датчиков 3 и 4 - напряжение, пропорциональное измеряемой температуре. Суммирующее и вычитающее устройства могут содержать на входе, подобно использованию первого аналога, повторители на операционных усилителях, вы ходы которых соединены с входами суммирующего или дифференциального усилителей (также на операционных усилителях). Вместо или помимо усилителей, могут быть, подобно второму и третьему аналогам, использованы преобразователи напряжения в ток, частоту, цифровой сигнал и т. д., но с соответствующими суммирующими или дифференциальными входами, необходимыми для стыковки с датчиком по п. 1 (2). Соответственно предлагаются: - датчик (датчик по п. 5, зависимый от датчика по п. 1, в том числе по п. 2), отличающийся тем, что дополнительно введено устройство преобразования с входным суммирующим устройством, общий вывод входов которого соединен со средним выводом датчика, суммирующие входы соединены с противоположными выводами датчика, а выход устройства преобразования является выходом датчика; - датчик (датчик по п. 6, зависимый от датчика по п. 1, в том числе по п. 2), отличающийся тем, что дополнительно введено устройство преобразования с входным вычитающим устройством, общий вывод входов которого соединен с одним из противоположных выводов датчика, один из входов вычитающего устройства соединен с другим противоположным выводом датчика, другой из входов, с в два раза большим коэффициентом передачи, - со средним выводом датчика, а выход устройства преобразования является выходом датчика. Перечень чертежей (фигур). Фиг. 1 - принципиальная схема датчика по п. 1 (2), где: VТ1 - транзистор или транзисторы с коллекторно-базовой связью в качестве p-n переходного устройства c площадью, равной m (или количество транзисторов, например, m=1); VT2 - транзистор или транзисторы с коллекторно-базовой связью в качестве p-n переходного устройства с площадью, равной n (или количество транзисторов, например, n=8); а - один противоположный вывод датчика; б - средний вывод датчика; в - др угой противоположный вывод датчика. Фиг. 2 - структурная схема датчика по п. 3, где: 1 (Д) - датчик по п. 1 (2); I - ток источника тока, протекающий через датчик 1 (Д); 2 (Σ) - суммирующее устройство; "+(-)" - входы суммирующего устройства, без инвертирования (с инвертированием); "Общ." - общий вывод датчика; "Вых." - выход датчика. Фиг. 3 - структурная схема датчика по п. 4, где: 1 (Д) - датчик по п. 1 (2); I - ток источника тока, протекающий через датчик 1 (Д); 2 (Δ) - вычитающее устройство; "+(-)" - суммирующий (вычитающий) вход вычитающего устройства, без инвертирования (с инвертированием); "-(+)" - вычитающий (суммирующий) вход вычитающего устройства, с инвертированием (без инвертирования); "Общ." - общий вывод датчика; "Вых." - выход датчика. В равной степени можно считать, что на фиг. 2 и 3 показаны датчики 5 и 6, преобразователи которых, соответственно, - с суммирующим (фиг. 2) и вычитающим (фиг. 3) входами. Работа датчиков показана выше при их обосновании и при описании фигур. Возможность реализации предложенных датчиков видна из их сравнения о датчиками-аналогами. Первый аналог содержит один транзистор. Предложенный датчик 2 содержит несколько идентичных транзисторов, определенным образом соединенных. Современная интегральная технология позволяет изготовлять датчики 2. Второй и третий аналоги, помимо p-n переходных устройств, содержат усилительные устройства, а другие датчики тех же фирм содержат также преобразовательные устройства. Датчики-аналоги, содержащие p-n переходные и другие указанные устройства, изготовляются методом интегральной технологии в одном монокристалле полупроводника. Поэтому изготовление предложенных датчиков с теми изменениями, которые их отличают от аналогов (новая схема p-n переходного устройства и суммирование или вычитание его выходных сигналов), не представляет трудностей для современной интегральной технологии. Кроме того, датчик 1 (2) может использоваться автономно (подобно первому аналогу), а для построения суммирующих, вычитающи х, усилительных и преобразовательных устройств дополнительно использовать другие микросхемы и дискретные элементы. 3 42808 Фиг. 1 Фиг. 2 Фиг. 3 4 42808 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 5