Полупроводниковый измеритель температуры

 

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЬЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий согласованную пару транзисторов, выполненных в одном кристалле, базы которьк соединены между собой, а коллекторы соответственно через резисторы соединены с первым выводом источника напряжения, дифференциальньй усилитель ,инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого транзистора , а выход соединен с первым вьгаодом измерителя напряжения и через резистивный делитель, средняя точка которого подключена к эмиттеру первого транзистора, соединен с вторым выводом источника напряжения, соединенным с эмиттером второго транзистора, о тличающийся тем, что, с целью повьшения надежности измерителя температуры,коллектор второго транзистора соединен с базами транзисторов и неинвертирующим входом диффеI ренциального усилит еля, при этом второй вывод измерителя напряжения соеди (Л нен с первьм выводом источника напряжения . Й- ЙI

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 G 01 К 7/00 жения.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3707270/24-10 (22) 13. 01. 84 (46) 30.08.85. Бюл. Ф 32 (72) А.В. Чурбаков (53) 531.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 678336, кл. G 01 К 7/16, 1977.

Авторское свидетельство СССР

У 1064156,кл. G 01 К 7/00, 1983. (54) (57) 1. IIOlIYIIPOBOgHHKOBblA ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий согласованную пару транзисторов, выполненных в одном кристалле, базы которых соединены между собой, а коллекторы соответственно через резисторы соединены с первым выводом источника напряжения, дифференциальный усили„„Я0„„1176183 тель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого транзистора,а выход соединен с первым выводом измерителя напряжения и через резистивный делитель, средняя точка которого подключена к эмиттеру первого транзистора, соединен с вторым выводом источника напряжения, соединенным с эмиттером второго транзистора, отличающийся тем, что, с целью повьппения надежности измерителя температуры, коллектор второго транзистора соединен с базами транзисторов и неинвертирующим входом дифференциального усили1.еля, при этом вто-. щ с рой вывод измерителя напряжения соединен с первым выводом источника напря1176183

2. Измеритель температуры по п.1, отличающийся тем, чтоисточник напряжения содержит три согласованных транзистора, резистивный делитель напряжения, четыре резистора и дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соеди- . нен с,средней точкой делителя напряжения, включенного между выводами источника напряжения, а выход подключен к первому выводу. источника напряжения и через три резистора соответственно — к коллекторам транзисторов, при этом коллектор и база первого

-транзистора соединены с базой второго транзистора, эмиттер которого через четвертый резистор соединен с

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно полупроводниковым измерителям температуры для измерения температуры в диапазоне от -80 до 150 С. 5

Цель изобретения — повьппение надежности изМерителя температуры.

На чертеже изображена принципиальная схема измерителя температуры, в ариант. 10

Измеритель температуры содержит термопреобразователь в виде согласованной пары транзисторов 1 и 2, выполненных в одном кристалле, два резистора 3 и 4, дифференциальный 15 усилитель 5, реэистивный делитель 6, измеритель 7 напряжения и источник

8 напряжения.

Источник 8 напряжения содержит три согласованных транзистора 9 - 11, 20 выполненных в одном кристалле, четыре резистора 12 — 15, резистив.ный делитель 16 и дифференциальный усилитель 17.

Ъ52

Зи Rs где R — сопротивление резистора 3.

Разность падений напряжений на эмиттериых переходах двух согласоСогласованная пара транзисторов

1 и 2 может быть выполнена в одном кристалле с транзисторами 9 — 11, причем база транзистора 9 может быть соединена с базами транзисторов 1 и 2.

Измеритель температуры работает следующим образом. вторым выводом источника напряжения, соединенным с эмиттером первого транзистора и эмиттером третьего транзистора, база которого соединена с коллектором второго транзистора, а коллектор подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, 3. Измеритель температуры по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерителя температуры, транзисторы источника напряжения выполнены в одном кристалле с согласованной парой транзисторов, при этом база первого транзистора источника напряжения соединена с базами согласованной пары транзисторов.

Источник 8 напряжения формирует высокостабильное напряжение U 1,3 В

k которое во всем рабочем диапазоне температур поддерживается с точностью +1 мВ. Это напряжение является опорным для полупроводникового термопреобразователя на согласованной паре кремниевых транзисторов

1 и 2. Через транзистор 2, включенный по диодной схеме, протекает ток где R — сопротивление резистора 4;

U — падение напряжения на пере.ходе эмиттер — база транзистора 2.

Падение напряжения на резисторе

3 равно падению напряжения на резисторе 4, так как дифференциальный усилитель 5 через резистивный делитель 6 устанавливает потенциал эмиттера транзистора 1 Б .таким, У чтобы коллекторы двух транзисторов

1 и 2 были эквипотенциальны, т.е. коллекторный ток транзистора 1 будет равен:

kT Iz kT R,-, 5

= — 4n — = — 1п -, (3)

Э1 q I q К4

1 где k — постоянная Больцмана;

Т вЂ” температура по шкале Кель— вина; 10 заряд электрона.

Таким образом,У линейно зависит

Э1 от температуры и не зависит от напряжения питания.

Если пренебречь малым коллекторным током транзистора 1, протекающим через один из резисторов резистивного делителя 6 (его сопротивление выбирается порядка 100 Ом, в ре. зультате чего ток через резистивный делитель 6 значительно превышает ток I ), то выходное напряжение диф1 ференциального усилителя 5 равно

kT с Вз

U =К вЂ” п —, ВЫх

Ф (4) где К вЂ” коэффициент деления резистивного делителя 6.

При чувствительности термопреобра— зователя 10 мВ/ С и температурной погрешности источника 8 напряжения

+1 мВ при напряжении U 1,3 В с помощью данного измерителя можно измео рять температуру в пределах от -80 С до 125 С с погрешностью не более

0,5 С на всю шкалу и с нелинеиностью о 35 не хуже 0,1 С.

Измеритель температуры может быть выполнен .в виде одной интегральной схемы совместно с источником 8 напряжения, как показано на чертеже.

При этом источник напряжения целесообразно выполнять по приведенной схеме. Транзисторы 9 и 10 источника

8 напряжения включены аналогично

45 транзисторам 1 и 2, но без отрица— тельной обратной связи через эмиттер транзистора 10. В результате имеем

40

50 (5) — R

U91o

R15 где УЭ1о падение напряжения на резисторе 15 (потенциал эмиттера транзистора 10); падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора 11;

3 11761 ванных транзисторов,в данном случае это напряжение на эмиттере транзистора 1 U„) с учетом (1) и (2) определяется выражением

83 4

К и R1 — сопротивление резисторов

13 и 15.

Причем, так же как и для транзисторов 1 и 2, для источника напряжения 8 справедливо выражение (3), т.е.

11 = In— кТ 9

q 10 (6) I 9 (U U959) /R12

1 1, = (U — Бэ В 11) / R 19 — к олл е к 1 ор н ые токи транзисторов 9 и 10;

R12 и R 19- соответственно со противления резисторов 12 и 13.

TBE как U Ф5, TG

ЭБg ЭБ11

U = — In—

R13

91О (7)

Из выражений (5) и (7) видно, что а счет подбора соотношения сопротивлений резисторов 12 и 13 можно получить взаимную компенсацию температурных зависимостей двух членов в выражении (5). Полная температурная компенсация достигается при выходном напряжении около 1,3 В, что соответствует ширине запрещенной зоны кремния. При значениях сопротивлений резисторов к1 = к1 = 600 Ом; к1

= 6,74 кОм; R 3 кОм и при сопротивлениях в резистивном делителе

16 3 кОм и 9 кОм, источник 8 напряжения имеет температурный коэффициент около 0,0015K/ С. т.е. линейно возрасгает с ростом т емп ер а тур ы.

Дифференциальный усилитель 17 включен таким образом, чтобы поддерживать эквипотенциальными коллектор транзистора 11 и выход резистивного делителя 16 за счет регулирования выходного напряжения U. Прй высокостабильном выходном напряжении U обеспечивается высокая стабильность падения напряжения на резисторе 14, т.е. стабильность коллекторного тока транзистора 11, в результате чего обеспечивается высокая линейность е температурной зависимости транзистора 11, а в результате этого высокая линейность температурной зависимости падения напряжения на его эмиттерном переходе. Причем это напряжение линейно уменьшается с ростом температуры (2 мВ/ С), в то время как U „оувепи ивается.