Z元件温度补偿技术论文.docx

《Z元件温度补偿技术论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Z元件温度补偿技术论文.docx（17页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第 1 页 Z 元件温度补偿技术论文 特征码 FhkzpqPpvHdDYLvepcFt 摘要：本文详细地介绍了光敏 Z-元件、磁敏 Z-元件以及力敏 Z-元件的温度补偿原理与补偿方法，供用户利用光、磁、力敏 Z-元件进行应用开发时参考。 关键词：Z-元件、敏感元件、温度补偿、光敏、磁敏、力敏 一、前言 半导体敏感元件对温度都有一定的灵敏度。抑制温度漂移是半 导体敏感元件的常见问题，Z-元件也不例外。本文在前述的基 础上，详细介绍 Z-元件的温度补偿原理与温度补偿方法，供光、 磁、力敏 Z-元件应用开发参考。 不同品种的 Z-元件均能以简单的电路，分别对温、光、磁、力 等外部激励作用输出模拟、开

2、关或脉冲频率信号123，其 第 2 页 中后两种为数字信号，可构成三端数字传感器。这种三端数字 传感器不需放大和 A/D 转换就可与计算机直接通讯，直接用于 多种物理参数的监控、报警、检测和计量，在数字信息时代具 有广泛的应用前景，这是 Z-元件的技术优势。但由于 Z-元件是 半导体敏感元件，对环境温度影响必然也有一定的灵敏度，这 将在有效输出中因产生温度漂移而严重影响检测精度。因而， 在高精度检测计量中，除在生产工艺上、电路参数设计上应尽 可能降低光、磁、力敏 Z-元件的温度灵敏度外，还必须研究 Z- 元件所特有的温度补偿技术。 Z-元件的工作原理本身很便于进行温度补偿，补偿方法也很多。 同

3、一品种的 Z-元件，因应用电路组态不同，其补偿原理与补偿 方法也不同，特就模拟、开关和脉冲频率三种不同的输出组态 分别叙述如下。 二、模拟量输出的温度补偿 对 Z-元件的模拟量输出，温度补偿的目的是克服温度变化的干 扰，调整静态工作点，使输出电压稳定。 1应用电路 第 3 页 Z-元件的模拟量输出有正向(M1 区)应用和反向应用两种方式， 应用电路如图 1 所示，其中图 1(a)为正向应用，图 1(b)为反向 应用，图 2 为温度补偿原理解析图。 2温度补偿原理和补偿方法 在图 2 中，温度补偿时应以标准温度 20为温度补偿的工作基 准，其中令： TS：标准温度 T：工作温度 QS：标准温度时

4、的静态工作点 Q：工作温度时的静态工作点 QS：温度补偿后的静态工作点 VOS：标准温度时的输出电压 VO：工作温度时的输出电压 第 4 页 在标准温度 TS 时，由电源电压 E、负载电阻 RL 决定的负载线 与 TS 时的 M1 区伏安特性（或反向特性）相交，确定静态工作 点 QS，输出电压为 VOS。当环境温度从 TS 升高到 T 时，静态工 作点 QS 沿负载线移动到 Q，相应使输出电压由 VOS 增加到 VO， 且 VOVOSDVO，产生输出漂移 DVO， 。若采用补偿措施在环境 温度 T 时使工作点由 Q 移动到 QS，使输出电压恢复为 VO，则 可抑制输出漂移，使 DVO0，达到全

5、补偿。 (1)利用 NTC 热敏电阻 基于温度补偿原理，在图 1(a)、(b)中，利用 NTC 热敏电阻 Rt 取代负载电阻 RL，如图 3(a)、(b)所示，温度补偿过程解析如 图 2 所示。 在图 3 电路中，标准温度 TS 时负载电阻为 Rt，当温度升高到 工作温度 T 时，使其阻值为 Rt，可使静态工作点由 Q 推移到 QS，由于 Rt.Rt，故应选 NTC 热敏电阻。当温度漂移 量 DVO 已知时，只要确定标准温度时的 Rt 值及合适的温度系数 (即 B)值，使得在工作温度时的阻值为 Rt，即可达到全补偿。 第 5 页 (2)改变电源电压 基于温度补偿原理，补偿电路如图 4(a)、(

6、b)所示，图 5 为补 偿过程解析图，其中负载电阻 RL 值不变，当温度由 TS 升到 T 时，产生输出漂移 DVO，为使 DVO=0，可使 ES 相应增大到 ES，若电源电压的调整量为 DE，且 DE= ES-ES，要满足 DE=-KDVO 的补偿条件，可达到全补偿。其中，K 为比例系数， “负号”表示电压的改变方向应与输出漂移方向相反，比例系 数 K 与负载线斜率有关，可通过计算或实验求取，且： 为了得到满足补偿条件的按温度调变的电源电压，实际补偿时 可采用缓变型 PTC 热敏电阻、NTC 热敏电阻或温敏 Z-元件来改 变电源电压 E，达到补偿的目的： 采用缓变型 PTC 热敏电阻 第 6

7、 页 采用缓变型 PTC 热敏电阻的补偿电路如图 6 所示。 在图 6 中，Z-元件与负载电阻 RL 构成工作电路，工作电路的直 流电源电压 E 由集成稳压电源 LM317 电路供电，Rt 为缓变型热 敏电阻，采用热敏电阻 Rt 的 LM317 电路的输出电压为： 按温度补偿要求，当温度增加时，电源电压 E 应该增加，Rt 应 该增加，故 Rt 应选缓变型 PTC 热敏电阻。R2 用于设定电压 E 的初始值，合理选择 PTC 热敏电阻 Rt 的初始值及其温度系数， 使之满足 DE=-KDVO 的补偿条件即可达到补偿的目的。 采用 NTC 热敏电阻 因缓变型 PTC 热敏电阻市售较少，而且补偿过

8、程中温度系数也 难于匹配，多数情况应采用 NTC 热敏电阻。 若采用 NTC 热敏电阻进行补偿时，也可采用图 6 所示电路，但 要把 R1 与 Rt 互换位置。 当采用 NTC 型热敏电阻时，为了便于热敏电阻的补偿匹配，可 利用运算放大器，实际补偿电路如图 7 所示。 第 7 页 在图 7 中，Rt 为 NTC 热敏电阻，A 为由单电源 VCC 供电的反相 输入运放构成的比例放大器，通过该运放的反相作用，使 LM317 的输出电压 EO 适合工作 Z-元件工作电压 E 的补偿极性要 求。例如，温度升高时，EO 下降，E 增加；反之温度降低时， EO 增加，E 减少。该补偿电路的另一优点是，可通

9、过运放比例 系数的附加调整便于 NTC 热敏的补偿匹配。 (3)差动补偿 并联差动补偿 运放的第一级几乎没有例外均采用差动电路，并利用差动电路 的对称性和元器件特性的一致性来补偿温度漂移。Z-元件也可 采用这种方法，补偿电路如图 8 所示。其中，图 8(a)为正向应 用，图 8(b)为反向应用，图 8(c)为实际补偿电路。其中 Z 为工 作 Z-元件，ZC 为补偿 Z-元件，RL 与 RC 为相应的负载电阻。 补偿原理：对差动对称电路，当左右两侧工作 Z-元件 Z 与补偿 Z-元件 ZC 的静态伏安特性与动态温度系数完全一致，以及电阻 第 8 页 RC 与 R 阻值及其温度系数也完全一致时，采

10、用浮动输出，因始 终保持 VO=VOC，当环境温度改变时，也不会产生温漂，而工作 Z-元件有其它外部激励作用(如光、磁、力等)时，则可产生有 效输出。 理论上，若左右元器件完全对称，在标准温度 TS 时，浮动输出 DVO=VO-VOC=0，当温度升高到工作温度 T 时，因左右两支路电 流同步增加，DVO=VO-VOC=0 仍然成立。实际上，左右两支路元 器件不可能完全对称，特别是 Z-元件有一定的离散性，使 DVO 不可能完全为 0。因而，除按补偿精度要求，对 Z-元件的一致 性进行严格筛选外，在电路上应采用辅助调整措施，如图 8(c) 中利用电位器 RW。 串联差动补偿 并联对称补偿的缺点是

11、浮动输出，为变成单端输出还需要一个 双端输入到单端输出的转换电路。采用串联对称补偿可克服这 一缺点。 串联对称补偿的原理电路如图 9 所示。其中图 9 (a)为正向应 用，图 9 (b)为反向应用，图 9 (c)和(d)为实用化补偿电路。 第 9 页 补偿原理：该补偿电路为“上下对称”结构，元器件的一致性 要求与并联对称补偿的要求相同。在标准温度 TS 时，工作电流 流过上下分压支路，使输出电压 VO=E/2。温度升高到工作温度 T 时，工作电流虽然增加，但输出电压 VO 仍为 E/2，不产生温 度漂移。而工作 Z-元件当有其它外部激励作用时，可产生有效 输出。 该补偿电路的缺点是静态输出电压

12、不为零，为使静态输出电压 为零，需附加电平位移电路。 三、开关量输出的温度补偿 开关量输出电路示于图 10，(a)为电阻接地，(b)为 Z-元件接地。 开关量输出的温度补偿与模拟量输出的温度补偿相比，两者的 补偿目的不同。后者是模拟信号，当温度改变时，引起静态工 作点偏移，通过补偿调整静态工作点，使输出电压恢复稳定。 前者是数字信号，数字信号的温度稳定性及其补偿技术是一个 新问题。在研究开关量输出补偿原理与补偿方法之前，必须先 引入有效跳变与跳变误差的新概念。 第 10 页 1有效跳变与跳变误差 温、光、磁、力四种 Z-元件均可相应构成温控、光控、磁控、 力控开关，提供开关量输出，用于对物理参

13、数的监控与报警。 其中，除温控开关外，对这些控制开关的基本要求是应具有温 度稳定性。也就是说，在光、磁或力等外部激励作用下，并达 到设定值时，应准确地产生输出跳变，称为有效跳变。而不应 受环境温度影响产生跳变误差。由于开关量输出是数字信号， 其跳变误差也必然是两种极端的情况，为研究方便分别定义为 超前跳变误差和滞后跳变误差。实际上，由于 Z-元件的 Vth 值 是温度的函数，当环境温度改变时，因受 Vth 变化的影响，超 前与滞后两种跳变误差都有可能发生。 若环境温度升高，使 Vth 下降，当满足状态转换条件 VZ3Vth 时， 外部激励虽未达到设定值，可能产生“不该跳也跳”的超前跳 变误差；

14、反之，若环境温度降低，使 Vth 增加，这时外部激励 虽已达到设定值，但由于不能满足状态转换条件 VZ3Vth，则可 能产生“该跳不跳”的滞后跳变误差。 为克服这两种跳变误差，在电路设计时必须考虑温度补偿技术。 因此，对光、磁、力敏 Z-元件构成控制开关的设计原则是：在 第 11 页 外部激励作用下，必须能够满足状态转换条 VZVth，而产生 有效跳变；而当环境温度变化时，则不应满足转换条件 VZVth，不致产生跳变误差。前者通过合理地选择静态工作点 来达到，后者则应采用温度补偿技术加以保证。 2温度补偿原理 上面已经分析过，因为 Z-元件的 Vth、Ith 对温度有一定的灵 敏度，所以 Z-

15、元件的开关量(光、磁和力敏)输出会产生超前跳 变和滞后跳变误差。 使用者在设计电路时，是依据有效激励(光、磁和力等)的大小 来确定静态工作点 QS，这时 Z-元件两端的电压为 VZS，并具有 下述关系： Vth -VZS=DV (1) 当 T()升高时，因 Vth 减小，DV 就减小。当减小到 DV=0 时， 即 VZS =Vth 时，就产生了超前跳变误差；同理，当 T()下降 时，因 Vth 增大，DV 就增大，以至于大到有效激励作用时，也 不产生跳变，这就产生了滞后跳变误差。当我们选定负载电阻 RL 值和电源电压 ES 后，静态工作点 QS 就确定了。因此，Z-元 第 12 页 件开关电路

16、设计的着眼点应在于 DV 的取值。既要保证 Z-元件 在有效激励时，能产生有效跳变；而通过温度补偿又能保证 DV 的初始设计值不随温度变化，即可消除超前跳变误差和滞后跳 变误差。 3温度补偿方法 (1)负载电阻的确定 图 11(a)是开关信号电路的工作解析图，图 11(b)是开关信号的 波形图。开关量输出的输出低电平 VOL 不是直线，其变化规律 以及跳变幅值与 M1 区特性和静态工作点的设置有关，这是 Z- 元件开关量输出的特有问题。为保证应用中有足够大的跳变幅 值，输出低电平不致太高，必须合适的设置静态工作点，因而 当电源电压一定时，合理的选择负载电阻 RL 的值十分重要。 Z-元件在没有

17、输出开关信号，即工作在 M1 区时，其功耗是很小 第 13 页 的，只有工作 在 M3 区时，其功耗才增大。从图 11(b)可知， 开关信号的低电平不是常数，因 VOL=IZRL，当温度升高时，IZ 增大使 VOL 增大，而且负载电阻 RL 越大，低电平增大值也越大， 因此，为了降低 VOL，要求 RL 越小越好。由于受 Z-元件功耗的 限制，RL 不能无限制的减小，为了 Z-元件安全工作和降低电源 的耗电，可选择 Z-元件的工作功耗为额定功耗的 1/5，即 PZ=0.2PM，PZ=0.2PM=IZVZ=IfVf。通过下述计算即可求出合适 的负载电阻 RL 值： 按照产品标准的规定： VfVt

18、h/3 取：VZ=Vf=Vth /3， If=(E-Vf)/RL=(Vth-Vf+IthRL)/RL 因为 IthRL 很小，忽略不计，所以： , 所以： （2） 第 14 页 (2)电源电压 ES 的确定 由图 12 可知 ES=VZS+IZSRL = Vth DV+ IZSRL 因为 IZSRL 很小，只有 0.10.2V，所以将其忽略不计，常温下 电源电压 ES 为： ES Vth DV 考虑到电源电压调变时，可能存在误差，初始设计的 DV 值不能 过小，其最小值建议为(510C) SP （SP 为阈值点的温度灵 敏度） 。所以：ES= Vth +(510C) SP (3) (3)同步改

19、变电源电压 第 15 页 从图 12 我们知道，当温度上升到 T1 时，阈值点 P 将左移至 P1 点，若通过补偿能自动将电源电压由 ES 调整到 E1，使工作点 从 QS 左移至 Q1，并使(1)式成立，DV 即可保持不变，此时 Vth1 VZ1 =DV；当温度下降到 T2 时，P 点将右移至 P2 点， 若将电源电压 ES 由 ES 自动调整到 E2，并使(1)式成立，DV 仍 可保持不变，此时 Vth2 VZ2 =DV 即可消除跳变误差，达到补 偿。 在 T1 时，电源电压为 E1： E1= Vth1+(510) SP = Vth +(T1-T) SP+(510) SP 在 T2 时，电

20、源电压为 E2：E2= Vth2+(510) SP = Vth +(T2-T) SP+(510) SP 在工作温度范围 T2T1 间电源电压的调变量为 DE： DEE2-E1=(T2-T1) SP （4） 从(4)式可以看出，该开关量输出电路的电源，应该是具有负温 度系数的直流电源，该电源可选用图 6 中的电源 E，只需把 Rt 换成 NTC 电阻，或用图 7 中电源 EO。 四、脉冲频率输出的温度补偿 第 16 页 1应用电路 Z-元件的脉冲频率输出有不同的电路组态，其应用组态之一如 图 13 所示。该电路当电源电压 E 恒定时，在光、磁或力等外部 激励作用下，输出端 VO 可输出与外部激励

21、成比例的脉冲频率信 号，称为有效输出，波形为锯齿波，如图 14 所示。作为半导体 敏感元件，由于环境温度对有效输出也具有一定灵敏度，这将 严重影响有效输出的检测精度，当环境温度变化较大或检测精 度要求较高时，必须通过温度补偿对温漂加以抑制。 2温度补偿原理 Z-元件的输出频率 f 与工作电压 E 有关，与电路结构以及参数 有关，也与使用环境温度有关。当电路结构以及参数一定时 (C=0.1mF，RL=15kW)输出频率 f 仅与工作电压 E 和工作温度 T 有关。为研究温度补偿原理，确定合适的补偿方法，特列出三 者的隐函数关系：f = F ( T , E ) 如果把 Z-元件构成的频率输出电路看

22、成是一个线性系统或者可 进行线性化处理时，可利用叠加原理对该隐函数求其偏微分： 当电源电压改变 DE，并恰好克服由温度变化 DT 对输出频率的 影响时，输出频率将保持不变，即 Df = 0，则： 第 17 页 若设： 为温度灵敏度, 为电压灵敏度， 进而得：STDT= - SE DE 为进一步定量地确定电压 E 和温度 T 之间的补偿关系，可定义 温度补偿系数 C 为： C/V 补偿系数 C 的物理意义是，工作电压 E 每改变 1V 时，能补偿温 度变化多少度所引起的输出频率 f 的温漂。显然，SE 越大，或 ST 越小，使补偿系数 C 越大，越便于进行温度补偿。其中， “负号”表示为实现温度补偿，电压 E 的改变方向应与温度变 化的方向相反。补偿系数 C 确定后，可按补偿系数要求设计补 偿电路，实现温度补偿。