СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2014

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2014 Особенности реализации полупроводниковых датчиков температуры В статье рассмотрены температурные зависимости вольтамперных характеристик элементов биполярных микросхем, проанализированы схемотехника и параметры полупроводниковых датчиков температуры серий LM, MCP, TMP и ADT. Особое внимание уделено повышению точности измерения. Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов (г. Минск, Беларусь), Николай Прокопенко (г. Шахты, Ростовская обл.) В ВЕДЕНИЕ Датчик температуры – один из наи- более распространённых первичных измерительных преобразователей. Это объясняется как потребностью в высокоточной регистрации темпе- ратуры для многих областей науки и техники, так и необходимостью осу- ществления компенсации температур- ного изменения основных характери- стик в различных микроэлектронных устройствах [1]. Различие диапазона регистрируемых температур и требований к согласова- нию с микроконтроллерами обуслав- ливают существование разнообразных термочувствительных элементов и их интерфейсов. Так, в качестве термо- чувствительных элементов чаще всего применяют термопары (Thermocouple), резистивные температурные датчики (Resistive Temperature Detector), терми- сторы (Thermistor), полупроводнико- вые активные и пассивные элементы, а выходной информацией температур- ных датчиков может быть [2, 3]: ● напряжение или ток, пропорцио- нальные температуре (Analog Output); ● частота, пропорциональная темпе- ратуре (Frequency Output); ● скорость изменения выходного сиг- нала, пропорциональная температу- ре (Ramp Rate Output); ● коэффициент заполнения выходно- го сигнала, пропорциональный тем- пературе (Duty Cycle Output); ● цифровые данные (Serial Output), передаваемые по разным шинам, например, SPI, I 2 C, SMBus; ● логический уровень, показывающий превышение заданной температуры или нахождение в заданном диапазо- не температур (Logic Output). Целью настоящей статьи является аналитический обзор датчиков тем- пературы, допускающих как отдель- ное применение, так и использование в составе микроэлектронных интер- фейсов [1, 4]. В большинстве случаев такие датчики должны работать в диа- пазоне температур –60…+125 ° С, обеспе- чивать аналоговый выход и технологи- ческую совместимость с интегральны- ми схемами (ИС) интерфейсов. Т ЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИС Температурные зависимости пара- метров элементов ИС были исследо- ваны при проектировании источни- ков опорного напряжения [5]. Некото- рые из этих зависимостей, например, падение напряжения на прямосмещён- ном p-n -переходе, являются основой построения термочувствительных эле- ментов, а другие, такие как температур- ная зависимость сопротивления полу- проводниковых резисторов и обрат- ного тока насыщения p-n -перехода, приводят к нелинейности преобразова- ния температуры в амплитуду выходно- го сигнала датчика. Таким образом, при проектировании датчиков температуры необходимо представлять температур- ные зависимости элементов и правиль- но учитывать их при схемотехническом моделировании, а также рассматривать возможность компенсации нелиней- ных температурных эффектов. Биполярные транзисторы Биполярные транзисторы (БТ) используются в различных цепях ИС для усиления напряжения и тока, фор- мирования источников и повторите- лей тока, сдвига уровня постоянного напряжения, в качестве термочувстви- тельных элементов и пр. В зависимости от области применения, к параметрам БТ предъявляются различные требова- ния, которые будут рассмотрены ниже. Основную температурную зависи- мость кремниевых БТ описывают выра- жения [6]: , (1) , (2) где I C – коллекторный ток; IS – обрат- ный ток насыщения эмиттерного пере- хода; V BE – падение напряжения на пря- мосмещённом эмиттерном переходе; ϕ T = k × T / q – температурный потенци- ал; k – постоянная Больцмана; T – тем- пература в градусах Кельвина; q – заряд электрона; сonst – постоянная, опре- деляемая физико-технологическими параметрами БТ, не зависящая от тем- пературы и прямо пропорциональная площади эмиттерного перехода S E ; n – показатель степени, описывающий, в том числе, температурную зависи- мость подвижности неосновных носи- телей заряда, n изменяется от 1,5 до 3 [6]; E G0 – ширина запрещённой зоны крем- ния при T = 0 К. При работе БТ в широком диапазо- не коллекторных токов необходимо учитывать отклонение вольтамперной характеристики (ВАХ) от экспоненци- альной зависимости (1), которое обыч- но описывается с помощью зависяще- го от коллекторного тока m -фактора: . (3) Чаще всего величина m -фактора находится в диапазоне от 1 до 3. В обла- сти малых токов отклонение m от еди- ницы объясняется усилением влияния на работу БТ процессов рекомбинации, а в области больших токов – сопротив- лением базовой области и эффектами высокого уровня инжекции, поэтому значение m -фактора частично зависит от конструкции транзистора. Так, для горизонтальных p-n-p -транзисторов отклонение m от единицы в области малых коллекторных токов обыч- © СТА-ПРЕСС