Микросхемы датчиков температуры

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2016

Tom Lecklider

Evaluation Engineering

Большинству инженеров-электронщиков известно, что температурный коэффициент напряжения база эмиттер транзистора (V_BE) равен приблизительно –2 мВ/°C. Однако «приблизительно» – это не совсем то, что требуется для точных датчиков температуры. В то же время целый ряд оригинальных конструкций, основанных на этом базовом соотношении, гарантирует высокую точность в типичном диапазоне от –50 °C до +150 °C.

Компании Analog Devices (ADI) и Texas Instruments (TI) разработали аналоговые датчики, основанные на разности напряжений V_BE (ΔV_BE) двух транзисторов, работающих при разных плотностях тока. При использовании ΔV_BE вместо V_BE ток I_S – обратный ток насыщения в диодном уравнении Шокли, – как показано в Формуле 1, из выражения исключается [1].

(1)

Согласно документации ADI, бóльшая площадь обеспечивается параллельным включением N транзисторов, в то время как в описании TI говорится о двух транзисторах разных размеров [2].

Кроме того, в руководстве TI есть интересное уточнение. «Для того чтобы точность схемы сохранялась в диапазоне температур, токи утечки каждого транзистора, которые при высоких температурах могут достигать весьма больших значений, должны быть равны, чтобы за счет взаимной компенсации исключить их влияние на результат измерений… Для решения этой проблемы каждый из транзисторов Q1 и Q2, на которых построена схема, заменен группой транзисторов, образующих Q1 [с площадью эмиттера, в десять раз большей, чем у Q2] и Q2. Эти группы имеют одинаковую геометрию, благодаря чему их токи утечки компенсируются, однако в схеме измерения температуры используется лишь по одному транзистору из каждой группы – один из группы, представляющей Q1, и один из другой группы [2].

Рисунок 1.	Схема ИОН на основе запрещенной зоны и датчика температуры, в которой используется напряжение DVBE. (С разрешения Analog Devices).

Значение ΔV_BE обрабатывается также по разному. На Рисунке 1 показана упрощенная схема, используемая ADI в конструкции источника опорного напряжения на основе запрещенной зоны шириной 1.205 В. Коллекторные токи принудительно выравниваются операционным усилителем, выход которого управляет базами транзисторов и поддерживает на них одинаковые напряжения. Это означает, что ток, идущий через R₂, равен ΔV_BE/R₂. Следовательно, падение напряжения на сопротивлении R вдвое больше, чем на R₁, или

(2)

где V_PTAT – выходное напряжение, пропорциональное абсолютной температуре.

Напротив, в схеме на Рисунке 2 операционный усилитель используется как для выравнивания токов транзисторов, так и для масштабирования выхода до значения 10 мВ/°K. 100-омный резистор используется для добавления корректирующего тока второго порядка.

Рисунок 2.	Датчик температуры, основанный на ΔVBE. (С разрешения Texas Instruments).

Заметим, что в схеме на Рисунке 1 бóльшую площадь эмиттера имеет транзистор Q2, в то время как на Рисунке 2 эмиттер больше у транзистора Ql. Тем не менее, работа обеих схем основана на разности напряжений база-эмиттер. На Рисунке 1 разность напряжений ΔV_BE берется непосредственно между двумя эмиттерами с резистора R2, а в схеме на Рисунке 2 ΔV_BE измеряется на резисторе R, включенном между двумя базами.

В дополнение к току, прямо пропорциональному температуре, некоторые из этих устройств имеют выход опорного напряжения запрещенной зоны с номинально нулевым температурным коэффициентом, которого достигают путем добавления к ΔV_BE с положительным температурным коэффициентом порядка +2 мВ/°C напряжения V_BE с отрицательным температурным коэффициентом около –2 мВ/°C. Схемы на основе запрещенной зоны имеют выходное напряжение около 1.22 В и используются в конструкциях, для которых не подходят более высоковольтные термокомпенсированные стабилитроны.

AD590 – двухвыводной датчик, ток которого пропорционален температуре в градусах Кельвина. Подгонкой на фабрике коэффициент пропорциональности устанавливается равным 1 мА/°K, поэтому при 0 °C выходной ток в идеале должен равняться 273.7 мкА.

В выпускаемом компанией Linear Technology Corp. (LTC) мониторе температуры LTC2996 в качестве основы термочувствительной схемы также используется измерение ΔV_BE. Однако, вместо сравнения напряжений база-эмиттер двух разных транзисторов, LTC2996 переключает количество тока, пропускаемого через один внутренний или внешний диод. Измерение напряжения на диоде при двух токах эквивалентно подходу ADI или TI – ток насыщения из уравнения исключается. Для определения внутреннего последовательного сопротивления диода может подключаться третий ток, а для компенсации этого сопротивления добавлена соответствующая схема. Так же как в схемах на Рисунках 1 и 2, LTC2996 имеет выход, откалиброванный в градусах Кельвина, в данном случае – 4 мВ/°K. Гарантированная ошибка измерения температуры LTC2996 не превышает ±1 °C в диапазоне температур от 0 °C до +100 °C, и ±1.5 °C в диапазоне температур от –40 °C до +125 °C.

При использовании с внешним диодом, например, для измерения температуры удаленного оборудования, LTC2996 обеспечивает выходной ток, достаточный для управления длинными линиями. Как написано в статье LTC, «Ошибка, обусловленная последовательным сопротивлением до 1 кОм, обычно бывает меньше 1%... максимальная длина линии связи ограничена не столько ее сопротивлением, сколько емкостью. Емкость свыше 1 нФ начинает влиять на установление напряжения датчика при различных токах и, следовательно, вносит дополнительную ошибку отсчета температуры. Например, 10-метровый отрезок кабеля CAT 6 имеет емкость порядка 500 пФ» [3].

Используя такой же подход, ON Semiconductor (ON) разработала как двух-, так и трехтоковые устройства. Как и следовало ожидать, двухтоковые датчики чувствительны к последовательному сопротивлению, поэтому их лучше использовать для локальных измерений температуры. Подобно микросхемам LTC, трехтоковые устройства могут компенсировать последовательное сопротивление, что важно для рынка автомобильного оборудования. Около половины предназначенных для термоуправления изделий компании называется цифровыми датчиками температуры. Однако, даже те микросхемы, в названиях которых нет слова «цифровой», все равно содержат большое количество цифровых цепей.

Имеющееся в портфеле компании устройство NCT475 дает наглядное представление о сложности внутреннего устройства цифровых датчиков температуры. В этой микросхеме используется 12-битный дельта-сигма АЦП, обновляющий показания температуры каждые 80 мс. Результаты измерений хранятся упакованными в байты, поэтому, если вашему приложению достаточно 8-битного разрешения, потребуется считать всего один байт. Кроме того, поскольку устройство потребляет от источника питания 3.3 В довольно большой ток порядка 500 мкА, предусмотрен режим однократного преобразования температуры, после которого устройство немедленно переходит в режим останова с током потребления 3 мкА. По структуре внутренних регистров NCT475 полностью совместима с микросхемами NCT75 (ON), LM75 (TI, Maxim) и TMP75 (TI).

В списке датчиков температуры компании Maxim Integrated имеется около 70 приборов, большинство из которых содержит какие-либо цифровые цепи. Период выходных прямоугольных импульсов микросхемы MAX6576 прямо связан с абсолютной температурой. В микросхеме MAX6577 температура индицируется частотой сигнала. А в микросхеме MAX6667 информация об измеренной температуре содержится во времени задержки между входным стробом и выходным импульсом. Для всех этих устройств предусмотрено переключение масштабов преобразования. Например, период выходных импульсов микросхемы MAX6576 вы можете установить равным 10×T, 40×T, 160×T или 640×T, где T – температура в градусах Кельвина. Пять из этих устройств с однопроводными выходами в Таблице 1 отнесены к числу 14 аналоговых датчиков, поскольку зависимость состояния их выходов от температуры имеет плавный характер.

Таблица 1.	Аналоговые и цифровые датчики температуры, доступные на рынке.
Компания Аналоговые Цифровые Analog Devices 8 18 Linear Technology 3 9 Maxim Integrated 14 55 ON Semiconductor 0 25 Texas Instruments 12 79

Смена шкалы

В документе TI обсуждаются способы достижения высокой точности линеаризации и преобразования выходной шкалы температур из Кельвина в градусы Цельсия или Фаренгейта. Вместо упрощенного соотношения, используемого в Уравнении 1, более полная модель напряжения дается Уравнением 3, приписываемым Роберту Видлару (Robert Widlar) из National Semiconductor.

(3)

Два первых члена этой формулы являются линейными функциями температуры, а два последних – нелинейными. Использование только линейных членов дает

(4)

где

V_G0 – ширина запрещенной зоны кремния (типичное значение 1.22 В);
V_E – напряжение на эмиттерах в схеме на Рисунке 2;
273.7 – 0 °C, выраженные в градусах Кельвина.

При выводе этого результата уравнение решалось при T = 0 °C, чем объясняется появление числа 273.7. При этом, как утверждается в рекомендациях TI, «…характер зависимости V_E от температуры будет неизменным, независимо от значений напряжения базы транзистора, его коэффициента передачи тока и напряжения база-эмиттер».

Последним элементом конструкции датчика будет отдельная компенсирующая схема, аппроксимирующая два оставшихся небольших нелинейных члена выражения током, пропорциональным корню из I_PTAT – току, пропорциональному абсолютной температуре. Многие из этих идей воплощены в датчике LM35, не требующем внешней подстройки и имеющем чувствительность 10 мВ/°C и точность ±0.75 °C в диапазоне температур –55 °C … +150 °C.

Тенденции рынка

Аналоговые схемы, необходимые для точных измерений температуры в широком диапазоне, совершенствовались в течение нескольких лет и поддерживают датчики как с аналоговыми, так и с цифровыми выходами. В Таблице 1 представлено количество датчиков обоих типов, предлагаемых сегодня на рынке каждой из компаний, упомянутых в статье. Хотя количество цифровых датчиков намного больше, чем аналоговых, в большинстве своем они ничем не отличаются от аналоговых, за исключением форматов представления результатов.

Ссылки

Материалы по теме