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Z元件的温度补偿技术

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:346

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。本文在前述文章的基础上,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、开关或脉冲频率信号[1][2][3],其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   

  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   

  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vo=vos+dvo,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dvo=0,达到全补偿。

  (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。

  (2)改变电源电压

  

  基于温度补偿原理,补偿电路如图4(a)、(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:

  ①采用缓变型ptc热敏电阻

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:

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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。本文在前述文章的基础上,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、开关或脉冲频率信号[1][2][3],其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   

  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   

  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vo=vos+dvo,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dvo=0,达到全补偿。

  (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。

  (2)改变电源电压

  

  基于温度补偿原理,补偿电路如图4(a)、(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:

  ①采用缓变型ptc热敏电阻

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:

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