Датчик температуры на транзисторах с токовым выходом

 

Изобретение относится к области измерительной и преобразовательной техники, в частности к измерению и преобразованию температуры в электрический сигнал - величину электрического тока. Датчик содержит токовое зеркало, выполненное на структурах разного типа проводимости, включенных последовательно как с источником питания, так и по направлению передачи сигнала. Крутизна линейной функции преобразования "абсолютная температура - ток" определяется отношением площадей эмиттеров транзисторов термочувствительного токового зеркала к сопротивлению резистора, включенного в эмиттерную цепь транзистора с большей площадью эмиттерного перехода. Для устранения влияния технологического разброса параметров транзисторов при калибровке датчика в эмиттеры транзисторов термонезависимого токового зеркала включены резисторы, один из которых является балансирующим. Технический результат заключается в упрощении схемы и обеспечении ее статической устойчивости. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области измерительной и преобразовательной техники, в частности к измерению и преобразованию температуры в электрический сигнал - величину электрического тока.

Известны датчики температуры на транзисторах в интегральном исполнении [1] , основанные на линейной зависимости от температуры разности напряжений база - эмиттер ΔU_э двух транзисторов с разной плотностью тока [2]. Эта разность напряжений выделяется или задается на резисторе, включенном между эмиттерами [1] или между базами [3], [4], [5] транзисторов. В известных схемных решениях используется операционный усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению для задания расчетных режимов транзисторов. Наряду с высокими требованиями к операционному усилителю (большой коэффициент усиления по дифференциальному сигналу и ослабления по синфазному сигналу, высокая стабильность и малый дрейф нулевого уровня) требуется применение корректирующих цепей для исключения самовозбуждения схемы выделения полезного сигнала, которым зачастую является напряжение, т.е. датчик обладает свойствами источника ЭДС. Например, таковой является известная отечественная микросхема К1019ЕМ1 [5] , не имеющая существенных отличий от изложенного технического решения в патентах [3], [4]. Среди известных датчиков, выходной ток которых пропорционален температуре, являются микросхемы типов LM75, LM124, LM324, LM334, ТМР17, AD590, AD592 [1], [6].

Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявленному изобретению по функциональному назначению (преобразование абсолютной температуры в ток) является преобразователь температуры в интегральном исполнении [7]. Существенными признаками этого преобразователя является наличие двух транзисторов с разными площадями эмиттерных переходов и соединенными базами, между эмиттерами которых включен резистор, и эмиттер транзистора с меньшей площадью перехода подключен к одному из полюсов источника напряжения постоянного тока. Главная цель в аналоге (прототипе) достигается за счет использования мостовой осесимметричной транзисторной структуры с идентичными параметрами элементов n-p-n и p-n-p структур. Основным недостатком прототипа является сложность схемы за счет использования операционного усилителя с дифференциальным входом, имеющего большой коэффициент усиления по напряжению, и корректирующей цепи, необходимой для устранения самовозбуждения.

Задача заявленного изобретения состоит в получении датчика с линейной передаточной функцией преобразования "температура по абсолютной шкале - постоянный ток", не содержащего каскадов усиления по напряжению и обладающего принципиальной статической устойчивостью при определенных условиях.

Предлагаемое изобретение содержит общий с прототипом признак: термочувствительную ячейку, содержащую два транзистора, работающие при разных плотностях эмиттерного тока, и резистор в эмиттерной цепи транзистора с меньшей плотностью тока, причем базы транзисторов соединены между собой. От прототипа заявленное изобретение отличается тем, что при соединении между собой базы и коллектора транзистора с большей плотностью эмиттерного тока получается термозависимое "токовое зеркало", которое будучи включенным последовательно с термонезависимым "токовым зеркалом", выполненным на транзисторах другого типа проводимости как по направлению передачи сигнала, так и по питающему напряжению, позволяет получить датчик-преобразователь температуры p-n переходов транзисторов в ток внешней цепи, т.е. последовательно соединенные заявленный датчик и источник питающего напряжения обладают свойствами источника тока. Принципиальное отличие предлагаемого технического решения от прототипа и аналогов состоит в использовании положительной обратной связи по контуру задания режима термочувствительной ячейки, когда точка статического равновесия схемы автоматически определяется пересечением нелинейных вольт-амперных характеристик транзисторных структур.

На фиг. 1 изображена схема заявленного датчика температуры на транзисторах, где 1 - термочувствительная ячейка или ячейка 1; 2 - термонезависимое "токовое зеркало" или ячейка 2; 3, 4, 5 - транзисторы с равными площадями эмиттерных переходов; 6 - транзистор с N раз большей площадью эмиттера по сравнению с транзистором 5 или N параллельно соединенных транзисторов типа 5; 7 - резистор; 8 - положительный полюс источника постоянного тока; 9 - отрицательный полюс источника постоянного тока; 11 - вход ячейки 1; 12 - выход ячейки 1; 21 - вход ячейки 2; 22 - выход ячейки 2.

На фиг.2 приведена улучшенная схема датчика температуры на транзисторах, где 1-9 - элементы по фиг.1; 10, 13 - транзисторы, включенные по схеме с общей базой как источники тока; 14 - юстировочный резистор.

На фиг.3 изображены вольт-амперные характеристики (ВАХ) термозависимого "токового зеркала", где 1 - ВАХ база - эмиттерного перехода транзистора с единичной площадью эмиттера (поз.5 по фиг.1); 2 - ВАХ перехода база - эмиттер транзистора с большей площадью эмиттера (поз.6 по фиг.1); 3 - ВАХ резистора (поз.7 по фиг.1); 4 - суммарная ВАХ элементов 6 и 7 по фиг.1; А - точка статического равновесия.

На фиг.4 показана схема практической реализации датчика температуры, собранная на отечественных транзисторных сборках, где 1 - термочувствительная ячейка, выполненная на микросхеме К198НТ1А; 2 - термонезависимое "токовое зеркало" выполненно на микросхеме К198НТ5А; 3, 4, 5, 10, 13 - отдельные транзисторы; 6 - три параллельно соединенных транзистора; 7 - резистор типа С2-29А-190м-0,1%.

На фиг.5 представлена типовая (усредненная по 10 образцам) функция преобразования датчика, реализованного по схеме фиг.4.

На фиг. 6 показана область распределения ошибок преобразования для 10 датчиков, в диапазоне температур от -20 до +100^oС, реализованных по схеме фиг. 4 при U_п=8 В и сопротивлении резистора 190,8 Ом без предварительной калибровки и юстировки.

На фиг. 7 представлена типовая ВАХ датчика температуры на транзисторах, реализованного по схеме фиг.4, при температуре окружающей среды Т₀=20^oС и юстировке при U_п=8 В.

Схема датчика температуры на транзисторах, служащего для преобразования температуры в токовый сигнал, включает два "токовых зеркала", выполненных на транзисторах различного типа проводимости и включенных как показано на фиг. 1. При фиксированном значении тока эмиттера транзистора 5 по фиг.1 величина эмиттерного и коллекторного тока транзистора 6 по фиг.1 определяется по формуле [2] где k - постоянная Больцмана; q - заряд электрона; R - сопротивление резистора 7; N - отношение площадей или плотностей тока транзисторов 5 и 6 линейно зависит от абсолютной температуры Т.

"Токовое зеркало" (ячейка 2) при идентичных транзисторах 3 и 4 передает выходной ток ячейки 1 (выход 12) на ее вход 11, а ток во внешней цепи будет равен 2-I. При этом имеет место единственная точка А по фиг.3 устойчивого равновесия. Входное сопротивление ячеек 1 (вход 11) и 2 (вход 21) существенно меньше динамических сопротивлений коллекторных переходов транзисторов 3 и 6 (выходы 12 и 22 ячеек 1 и 2), поэтому динамическое сопротивление датчика относительно выводов 8, 9 определяется как сумма выходных сопротивлений ячеек 1 и 2. А это означает, что ток во внешней цепи слабо зависит от напряжения питания и определяется абсолютной температурой Т и параметрами N и R датчика.

Увеличить выходное сопротивление заявленного датчика в 10 и более раз удается известным способом [8] путем введения в исходную схему транзисторов 10 и 13 по фиг.2. Поскольку технологический разброс напряжений база - эмиттер транзисторных сборок может достигать 1,5%, то для обеспечения калибровки датчика по крутизне в широком температурном диапазоне и увеличения стабильности коэффициента передачи по току в замкнутом контуре в схему по фиг.2 введен юстировочный резистор 14. Поскольку расчетное отношение площадей эмиттеров транзисторов 3 и 4 по фиг.2 может быть выбрано в достаточно широком диапазоне М, например 0,5≤М≤2, то величина тока во внешней цепи датчика определяется по формуле где r - отношение сопротивлений плеч резистора 14 в эмиттерах транзисторов 3 и 4.

Это означает, что при расчетных значениях N и М, калиброванном сопротивлении резистора 7 и наличии технологических разбросов изготовления транзисторных структур имеется возможность выполнить юстировку крутизны преобразования датчика резистором 14 как по величине, так и по знаку.

Для подтверждения реализации заявленного изобретения и оценки серийнопригодности было собрано 10 датчиков по схеме фиг.4. Микросхемы серии К198 разных лет изготовления были использованы без подбора. Типовая (усредненная по ансамблю) функция преобразования датчика температуры на транзисторах (фиг. 5) соответствует расчетному значению крутизны 1 мкА/К. При этом ошибка преобразования в диапазоне температур от 253 до 373 К (от -20 до +100^oС) не превысила ±2 К, а изменение крутизны 1 К (фиг.6). Влияние величины питающего напряжения оценено по ВАХ датчика на уровне 5 МОм (фиг.7).

Заявленный датчик предназначен для выполнения по интегральной технологии на одном кристалле или на двух кристаллах, но обязательно на одной теплопроводящей подложке и в одном корпусе.

Литература 1. Воробьев Е.П. Микросхемы контроля температуры // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. 7. С.63-69.

2. Walt Kester, James Briant, Walt Jung перевод и обработка А. Асташкевича и А. Фрунзе. Датчики температуры // Схемотехника. 2001. 1. С.29-31.

3. Заявка 2571492, МКИ G 01 К 7/16, Н 03 F 3/45 - Франция.

4. Заявка 60-27936, МКИ G 01 К 7/24 - Япония.

5. Бирюков С. Микросхемы - термодатчики К1019ЕМ1, К1019ЕМ1А// Радио. 1996. 7. С.59-60.

6. Designer's Reference Manual, F. Analog Devices, England. 1996. P. 21-7.

7. Заявка 59-19294, МКИ G 01 К 7/00 - Япония.

8. Хоровиц П. , Хилл У. Искусство схемотехники./В 3-х томах Т.1. Пер с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. М.: Мир, 1993. С.96-99.

Формула изобретения

1. Датчик температуры на транзисторах с токовым выходом, содержащий термочувствительную ячейку на двух транзисторах с разными значениями площадей эмиттерных переходов, базы которых соединены вместе, и резистор, подключенный между эмиттерами этих транзисторов, один полюс источника напряжения постоянного тока подключен к эмиттеру транзистора с меньшей эмиттерной площадью, отличающийся тем, что коллектор транзистора термочувствительной ячейки с большей площадью эмиттера подключен ко входу токового зеркала, выполненного на транзисторах другого типа проводимости, выход токового зеркала подключен к базам транзисторов термочувствительной ячейки, соединенных с коллектором транзистора меньшей площади эмиттерного перехода, а эмиттерные выводы транзисторов токового зеркала подсоединены к другому полюсу источника напряжения постоянного тока.

2. Датчик температуры на транзисторах с токовым выходом по п.1, отличающийся тем, что в эмиттерные цепи токового зеркала включены резисторы, один из которых является балансирующим.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7