СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2014

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2014 I = 10 мкА 136K 10K 5K 8K 4K 2K 1K Cхема компенсации нелинейности 0,125R2 1,38 В ( V PTAT ) V b A 1 A 2 R1 Q1 Q2 10E E R2 nR1 8,8 мВ/ ° С V OUT 10 мВ/ ° С + – Q6 точно масштабирован относитель- но коллекторных токов транзисторов Q4, Q5. При этом ток, протекающий через резистор R SET , всегда составляет 17/18 суммарного тока потребления I SET ( S E4 = S E5 = S E6 /16), втекающего в вывод V + : . (17) Транзистор Q3 применён вместо диодного включения Q4 для того, что- бы значительно уменьшить влияние базовых токов p-n-p -транзисторов на равенство коллекторных токов Q1, Q2 и таким образом устранить зави- симость PTAT-напряжения от величи- ны I SET . Микромощные полевые транзи- сторы с p-n -переходом Q7, Q8, макси- мальный ток стока которых составляет около 20 нА, и конденсатор C1 образу- ют цепь (start-up circuit), запускающую работу источников тока Q4 – Q6 при подаче напряжения между выводами V + и V – за время, в течение которого потен- циал базыQ3 достигнет величины око- ло 500 мВ, т.е. за 500 мВ × 50 пФ/20 нА = = 1,25 мс. На рисунке 14 приведена модернизи- рованная схема, преимуществами кото- рой являются [15]: ● возможность получения относитель- но высокого температурного измене- ния выходного напряжения d V OUT / d T и требуемого значения выходно- го напряжения при заданной темпе- ратуре (например, V OUT = 250 мВ при 25 ° C); ● простой метод калибровки; ● компенсация нелинейности (curva- ture compensation circuit) темпера- турной зависимости V BE ( T ). Заметим, что в качестве усилителя А1 на рисунке 14 допустимо применять усилитель напряжения с резистора- ми в коллекторных цепях Q1, Q2, как показано на рисунке 9, или высоко- качественные повторители тока [16]. Такая структурная схема с небольши- ми изменениями применена в темпе- ратурных датчиках LM34, LM35, LM50. Разность напряжений V BE2 – V BE1 пре- образуется в ток резистором R1 и соз- даёт PTAT-напряжение V PTAT на цепочке резисторов n R 1 , суммарное сопротив- ление которых обычно подстраивают на пластине (см. рис. 15) для получения необходимого температурного измене- ния выходного напряжения. На неинвертирующий вход усили- теля A2 поступает напряжение V PTAT – 2 V BE , которое преобразуется усилите- лем A2 таким образом, чтобы согласо- вать уровень выходного напряжения с выбранной температурной шкалой и установить температурное измене- ние около 10 мВ на градус этой шкалы. Так, для схемы, показанной на рисунке 14, при температуре 25 ° C будут спра- ведливы следующие величины основ- ных параметров: V BE1 = 0,581 В; d V BE1 / d T = –2,1 мВ/ ° C; V BE2 – V BE1 = 59,2 мВ; n = 23,3; V PTAT = 1,38 В; d V PTAT / dT = = 4,63 мВ/ ° C; d V IN+ / dT = 8,83 мВ/ ° C; V IN+ = 0,218 В; V OUT = 0,245 В; d V OUT /d T = = 9,94 мВ/ ° C. Более точного значения температурного изменения выходного напряжения (10 мВ/ ° C) можно достичь за счёт подстройки на пластине вели- чины n (рис. 15), а требуемого выход- ного напряжения (0,25 В при 25 ° C) – с помощью изменения резисторов в цепи ООС усилителя A2. Заметим, что в соответствии с (6) величина d V BE /d T зависит от V BE0 и име- ет технологический разброс, поэтому подстройка сопротивления цепочки резисторов n R1, выполняемая за счёт закорачивания стабилитронов или пережигания перемычек [17] в схеме на рисунке 15, необходима для любых высокоточных датчиков температуры. Выполненный в [15] анализ позволяет утверждать, что температурное измене- ние выходного напряжения d V OUT /d T , полученное при настройке для одной температуры, будет сохраняться во всём температурном диапазоне. Как следует из (5), V BE нелинейно зависит от температуры, что может привести к значительным погреш- ностям температурного датчика по схеме рисунка 14 из-за нелинейного изменения напряжения на неинверти- рующем входе усилителя A2, обуслов- ленного падением напряжения на пря- мосмещённом эмиттерном переходе Q1 и диоде. Для компенсации темпера- турной нелинейности V BE предназна- чена схема, показанная на рисунке 16. Транзисторы Q1 и Q2 на рисунке 16 применяются для задания тока в осталь- ных трёх транзисторах схемы. Ток через Q1 и Q2 устанавливается внеш- ней цепью прямо пропорциональ- ным абсолютной температуре ( I PTAT ), поэтому ток через Q5 и R B также будет иметь PTAT-зависимость при условии R B << V BE5 / I E5 . Ток через резистор R A опре- деляется падением напряжения на пря- мосмещённом эмиттерном переходе Q4 и поэтому убывает с ростом темпе- ратуры, а эмиттерный ток Q3, являю- щийся суммой тока, прямо пропорцио- нального ( I C 5 ) и обратно пропорцио- нального ( I RA ) температуре, не зависит от температуры, т.е. I C 3 = сonst. Коллек- торный ток Q4 ( I C 4 ) найдём из следую- щих соотношений: , (18) V BE4 = V BE1 + V BE2 – V BE3 . (19) Если все БТ имеют идентичные пара- метры m и IS , то: . (20) Таким образом, генерируется ток I C 4 , прямо пропорциональный квадрату температуры и компенсирующий тем- пературную нелинейность двух после- довательно соединённых прямосме- щённых p-n- переходов. На погрешность температурных дат- чиков могут оказывать влияния ТКС резисторов, а также обратные токи коллекторных переходов и переходов коллектор – подложка термочувстви- тельных транзисторов (Q1 и Q2 на рис. 14). Хотя обратные токи доволь- Рис. 14. Структурная схема температурного датчика LM35 Рис. 15. Электрическая схема цепи калибровки температурного датчика LM34 © СТА-ПРЕСС