PN節(jié)溫度敏感元件測溫電路設(shè)計(jì)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)“PN節(jié)溫度敏感元件測溫電路”設(shè)計(jì)姓名：班級：學(xué)號：2015.06.13一、摘要運(yùn)算放大器是模擬電路中的特殊放大器，只要適當(dāng)選取外部元件，就能構(gòu)成各種運(yùn)算電路，如放大、加法、減法、微分和積分等，并因此而得名。自20世紀(jì)60年代集成運(yùn)放問世以來，運(yùn)放各個(gè)系列產(chǎn)品層出不窮，以價(jià)格低、性能優(yōu)得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已持續(xù)不斷地滲透到模擬和混合模擬一數(shù)字電子學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。通過對集成運(yùn)放基本知識的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)一些簡單的線性應(yīng)用電路。二、關(guān)鍵詞集成運(yùn)放、線性應(yīng)用、PN節(jié)溫度測量三、引言溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能

2、作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會不斷涌現(xiàn)。四、正文晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1時(shí)，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時(shí)間常數(shù)為0.22秒，靈敏度高。測溫范圍為-50+150。1.設(shè)計(jì)要求A.測量溫度范圍內(nèi)0-30,輸出電壓上限5V;B.電阻用標(biāo)準(zhǔn)

3、值;C.所選運(yùn)放型號,管腳圖;D.1N4148相關(guān)參數(shù);E.對部分或全部電路仿真;2.方案提出傳統(tǒng)測溫技術(shù)限于其測量速度慢、測溫精度低、可互換性差一般不適合在應(yīng)用在高新領(lǐng)域，而紅外測溫等非接觸式測溫也因?yàn)槌杀据^高，也不適合于一般研究應(yīng)用，由于半導(dǎo)體測溫技術(shù)簡單精確，成本低廉，性價(jià)比十分突出，特別適合于工業(yè)和技術(shù)研究領(lǐng)域。PN結(jié)測溫原理上簡單易行，是研究分析測溫技術(shù)的重要手段，也是掌握一般設(shè)計(jì)方法的重要途徑。3.分析過程首先，為了獲得溫度的變化，需要通過傳感器，這里選取晶體二極管作為傳感器，通過測量二極管兩端電壓的變化來反應(yīng)溫度的變化?？紤]到二極管在溫度變化時(shí)，如果不限制通過其電流，那么不僅起兩

4、端電壓變化，其它參數(shù)也會變化，這為后期處理帶來不便。因此，通過加入恒流源限制通過二極管的電流，控制其它不必要的變量。由于二極管兩端電壓隨溫度變化不大，需要經(jīng)過放大才能進(jìn)行分析，因此在二極管電壓輸出端加入一個(gè)同向比例放大電路。由于對輸出電壓范圍的限制，這里取放大倍數(shù)為5，根據(jù)二極管溫度系數(shù)為-2mv/,則輸出時(shí)為，在范圍內(nèi)，輸出變化為。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖由同向放大電路性質(zhì)，取，則次級放大倍數(shù)為。由于起始溫度為0，這就有了一個(gè)調(diào)零的問題，于是，再引入一級放大電路，采用加法放大電路，通過調(diào)節(jié)外部輸入電壓來進(jìn)行調(diào)零。這里采用一個(gè)取樣電路，在一個(gè)正負(fù)電壓之間進(jìn)行取樣作為外部輸入，通過

5、調(diào)節(jié)外部輸入的大小來進(jìn)行調(diào)零。首先取的兩個(gè)穩(wěn)壓源作為調(diào)零電路的電源，為了保護(hù)電路，這里采用三個(gè)電阻進(jìn)行分壓，對中間的電阻進(jìn)行取樣。取中間電阻為的可調(diào)電阻，兩邊電阻均為.對于求和電路，取輸入電阻均為，反饋電阻為，則此時(shí)輸出與輸入關(guān)系為。至此，所有電路參數(shù)計(jì)算完畢，溫度變化與最終輸出關(guān)系為。本設(shè)計(jì)采用普通硅二極管 1N4148，它是玻璃封裝（DO-35）的小信號二極管， 最高可承受結(jié)溫 200，連續(xù)反向電壓最大為 75V，反向恢復(fù)時(shí)間最大 4nS，重 復(fù)峰值正向電流 450mA，而且具有良好的溫度-管壓降線性度，靈敏度為 2.2mV/ 左右，基本滿足題目要求的測溫要求，由恒流源提供穩(wěn)定恒流時(shí)，可以

6、進(jìn)一步 消除非線性誤差，非常適合作為溫度傳感器使用。半導(dǎo)體二極管的 PN 結(jié)具有單向?qū)ㄌ匦?，多用于檢波、整流，還具有對溫度 敏感的特性。PN 結(jié)的正向壓降具有負(fù)的溫度系數(shù)，并且在一定范圍內(nèi)隨溫度近 似呈線性變化，可作溫度傳感器使用。 使用二極管 PN 結(jié)測溫時(shí)，其測溫范圍常用在-20+125，輸出為模擬量。 正向管壓降（此處采用硅二極管）與溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)如圖2。圖21N4148溫度特性曲線硅二極管的電流()-電壓(V)方程為 （1） 為硅二極管飽和電流，q 為電子電荷，k 為波爾茲曼常數(shù)，T 為絕對溫度。與溫度的關(guān)系為 （2） 其中為硅在時(shí)禁帶寬度。 可以證明，函數(shù)隨T的變化基本上與

7、9879;3/2抵消，故聯(lián)合（1）、（2）式 可得 (3) (4) 因此，當(dāng)二極管工作在恒流狀態(tài)時(shí)，二極管電壓與溫度成線性關(guān)系，靈敏度為 圖3 T=25時(shí)1N4148正向特性曲線此處運(yùn)放采用TL084CN，其管腳圖如圖4所示。圖4 TL084CN管腳圖TL084CN，高速J-FET輸入四通道運(yùn)算放大器，在一個(gè)單片集成電路里包含了良好匹配的高壓J-FET及雙極性三極管。它具有寬共模及差模電壓范圍、低輸入偏置及偏移電流、輸出短路保護(hù)、高輸入阻抗J-FET輸入級、內(nèi)部頻率補(bǔ)償、鎖定自由操作、高循環(huán)率等特性。TL084CN相關(guān)參數(shù)如圖5所示圖5 TL084CN相關(guān)參數(shù)4.仿真結(jié)果當(dāng)溫度為常溫時(shí)，令恒定

8、電流為15mA,輸出為3.495V，如圖6所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將此時(shí)的電壓值設(shè)置為溫度零點(diǎn)。由于Multisim中無法實(shí)現(xiàn)溫度變化，因此將二極管1N4148換為信號源，模擬溫度變化時(shí)1N4148輸出電壓的變化，如圖8所示，可以看出，隨著輸入信號增加輸出呈線性增加圖6 實(shí)驗(yàn)原理圖圖7 用電壓源等效溫度變化圖8 用電壓源等效溫度變化仿真結(jié)果5.結(jié)果分析仿真結(jié)果表明，當(dāng)信號源輸入信號變化時(shí)，輸出信號呈線性變化，等效為溫度變化時(shí)的1N4148溫度的變化，間接證明論此測溫電路的可行性。當(dāng)溫度在變化時(shí)，輸出在之間，滿足題中給出的要求，同時(shí)通過前面的設(shè)計(jì)還給出了溫度與輸出電壓之間的關(guān)系為。五、結(jié)束語（心得體會）通過本次設(shè)計(jì)，加深了對集成運(yùn)算放大器線性應(yīng)用的了解，學(xué)會了一些模擬電子設(shè)計(jì)的基本方法，通過對電路的仿真，加深了對Multisim的熟悉，為以后的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對二極管的種類有了更多的了解，加深了對其工作原理的認(rèn)識，掌握了一些簡單的應(yīng)用。在仿真中，由于無法實(shí)現(xiàn)溫度變化，引入了等效代替法，為以后的一些難以處理的問題提供了思路。六、參考文獻(xiàn)1 王淑娟. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 哈爾濱：高等教育出版社，2009.5.2 李海燕.