CN104820179A - 消除串联电阻影响且与反向饱和电流无关pn 结测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明根据P-N结的物理特性，提出了一种可消除串联电阻影响且与反向饱和电流无关的PN结测温方法，利用两个压控电流源以及四个采样保持器S/H1-1、S/H1-2、S/H2-1、S/H2-2，根据时序，首先得到与串联电阻无关的V_out1，再将压控电流源基准设定为第一次基准电流的m倍，将两次与串联电阻无关的V_out1相减，得到仅与测量时设定的基准电流倍数m、常数β以及绝对温度T相关的V_out2。本发明也可利用一个压控电流源以及四个采样保持器完成上述功能。利用该方法能够消除串联电阻影响、与反向饱和电流无关，可无需进行A/D转换。

Description

消除串联电阻影响且与反向饱和电流无关PN 结测温方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种PN结测温方法。

背景技术

P-N结两端的电压和温度具有线性关系，可作为温度传感器，但导线的阻抗会使测温结果产生偏移误差，如ADT7461、TMP451等传感器给出了相应的解决办法，降低了由此引入的误差，但是还是存在缺陷。

P-N结测温原理如下所示，P-N结的正向导通压降V_F有如下表达式：

$I_b=I_{\mathrm{SO}}(e^{\frac{V_F}{\mathrm{nkT}/q}}-1)---\left(1\right)$

上式中I_SO为P-N结反向饱和电流；I_b为实际流经二极管的电流；k为玻尔兹曼常数；q为基本电荷常数；T为绝对温度；V_F为P-N结正向电压；n为理想因子。

令常数 $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{nk}}{q},$ 则 $V_F=\mathrm{\β}\ln (\frac{I_b}{I_{\mathrm{SO}}}+1)T,$ 由于 $\frac{i}{I_{\mathrm{SO}}}>>1,$ 有

$V_F\≈\mathrm{\β}\ln \left(\frac{I_b}{I_{\mathrm{SO}}}\right)T---\left(2\right)$

其中，I_SO与温度有较大关系，如用两个激励电流I_b0和I_b1，对应的正向导通压降分别为V_F0和V_F1，则有：

$\mathrm{\Δ}{V}_F=V_{F0}-V_{F1}=\mathrm{\β}\ln \left(\frac{I_{b0}}{I_{b1}}\right)T---\left(3\right)$

若I_b1＝NI_b0，则这里消除了I_SO，且T∝ΔV_F。

实际应用中，除必要的引线电阻外，由于二极管存在噪声，往往也需要进行滤波，这也会引入串联阻抗的影响，因此，上述测量方法未能消除串联电阻的影响。

于是，提出了基于三电流源激励的P-N结串联线电阻消除方法，该方法的原理如附图1，采用三个电流I_b0，I_b1，I_b2，串联电阻为R_w，根据式(2)有

$V=V_F+I_b{R}_w=\mathrm{\β}\ln \left(\frac{I_b}{I_{\mathrm{SO}}}\right)T+I_b{R}_w$

令I_b1＝N₁I_b0，I_b2＝N₂I_b0

$\mathrm{\Δ}{V}_{F1}=V_0-V_1=\mathrm{\β}\ln \left(\frac{1}{N_1}\right)T+(I_{b0}-N_1{I}_{b0})R_w---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ}{V}_{F2}=V_0-V_2=\mathrm{\β}\ln \left(\frac{1}{N_2}\right)T+(I_{b0}-N_2{I}_{b0})R_w---\left(5\right)$

联立式(4)和(5)，有：

$T=-\frac{(1-N_1)\mathrm{\Δ}{V}_{F2}-(1-N_2)\mathrm{\Δ}{V}_{F1}}{\mathrm{\β}[(1-N_1)\ln N_2-(1-N_2)\ln N_1]}=f(\mathrm{\Δ}{V}_{F1},\mathrm{\Δ}{V}_{F2})---\left(6\right)$

可见除测试量ΔV_F1,ΔV_F2外，其它均为常数。但是，该测量方法的缺点在于一般需进行AD转换，输出量为数字量，对直接模拟控制的场合则需再进行DA转换，也增加了额外的成本。

虽然上述方法消除了串联电阻的影响，但需要A/D变换，于是提出了基于两个电流源激励的线电阻消除方法，如附图2所示，流经p1、p2开关的电流分别为I_b1、I_b2，若I_b2＝2I_b1，则

V_C1＝V_{F_ib1}+R_WI_b1

V_C2＝V_{F_ib2}+2R_WI_b1

若令V_out＝-2V_C1+V_C2，则若令V_out＝2V_C1-V_C2，则这样可消除与电压源串联的电阻的影响，且输出电压与温度呈线性关系，但结果与反向饱和电流有关，此时，需要通过实验进行标校准。附图3给出了一个具体实现的电路实例。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明根据P-N结的物理特性，提出了一种可消除串联电阻影响且与反向饱和电流无关的PN结测温方法，能够消除串联电阻影响、与反向饱和电流无关，还不需进行A/D转换。

本发明通过以下技术方案实现：

一种可消除串联电阻影响且与反向饱和电流无关的PN结测温方法，所述方法采用PN结测温电路，所述电路包括两个压控电流源以及四个采样保持器S/H1-1、S/H1-2、S/H2-1、S/H2-2，两个压控电流源通过开关切换电路连接导线电阻Rw和PN结再接地，开关切换电路由时钟CLK控制，从开关切换电路与Rw之间的结点引出线连接采样保持器S/H1-1和S/H1-2的一端，S/H1-1的另一端通过2倍乘法器连接第一加法器，S/H1-2的另一端连接第一加法器，第一加法器的输出V_out1连接采样保持器S/H2-1和S/H2-2的一端，S/H1-1和S/H1-2的另一端连接第二加法器，第二加法器的输出为V_out2；S/H1-1的采样通过时钟CLK/2控制，S/H1-2的采样通过时钟控制，S/H2-1的采样通过时钟CLK/4控制，S/H2-1的采样通过时钟控制，其中，CLK/2的频率为CLK的二分之一，CLK/4的频率为CLK的四分之一，与CLK/2互补，与CLK/4互补；所述方法包括以下步骤：

S1.先设定所述压控电流源基准，两个压控电流源其倍数关系为2倍，Ui和2Ui，得到与串联电阻无关的V_out1，该结果被S/H2-1采样保持V₁'；

S2.重新设定所述压控电流源基准，所述基准为步骤1的m倍，两个压控电流源倍数关系为2倍，即mUi和2mUi，得到与串联电阻无关的V_out1，该结果被S/H2-2采样保持V₂'；

S3.再将S/H2-1的输出V₁'和S/H2-2的输出V₂'进行相减，得到V_out2；

S4.重复步骤1-3，即可得到各时间段的温度值。

作为本发明的进一步改进，所述得到与串联电阻无关的V_out1具体为：采样保持器S/H1-1保持压控电流源Ui输出的电流I_b1时的电压V_C1＝V_{F_ib1}+R_WI_b1，其中V_{F_ib1}为PN结正向电压；采样保持器S/H1-2保持另一压控电流源2Ui输出的电流I_b2时的电压V_C2＝V_{F_ib2}+2R_WI_b1，其中V_{F_ib2}为PN结正向电压，I_b2＝2I_b1；所述采样保持器S/H1-1的输出V_C1二倍后与采样保持器S/H1-2的输出V_C2做减法操作。

本发明的有益效果是：本发明提出的PN结测温方法能够消除PN结串联电阻的影响，与反向饱和电流无关，可直接获得模拟输出，无需进行A/D转换，输出结果与温度保持线性关系。

附图说明

图1是基于三电流源激励的P-N结测温串联线电阻消除方法的原理图；

图2是基于两电流源激励的P-N结测温串联线电阻消除方法的原理图；

图3是基于两电流源激励的P-N结测温串联线电阻消除方法的具体实例电路图；

图4是本发明的PN结测温方法的原理图；

图5是本发明的PN结测温方法的时序图；

图6是本发明的PN结测温方法的简化电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的PN结测温方法的原理图如附图4所示，该原理电路包括两个压控电流源以及四个采样保持器S/H1-1、S/H1-2、S/H2-1、S/H2-2。两个压控电流源通过开关切换电路连接导线电阻Rw和PN结(二极管)再接地，开关切换电路由时钟CLK控制。从开关切换电路与Rw之间的结点引出线连接采样保持器S/H1-1和S/H1-2的一端，S/H1-1的另一端通过2倍乘法器连接第一加法器，S/H1-2的另一端连接第一加法器，第一加法器的输出Vout1连接采样保持器S/H2-1和S/H2-2的一端，S/H1-1和S/H1-2的另一端连接第二加法器，第二加法器的输出为Vout2。S/H1-1的采样通过时钟CLK/2控制，S/H1-2的采样通过时钟控制，S/H2-1的采样通过时钟CLK/4控制，S/H2-1的采样通过时钟控制，其中，CLK/2的频率为CLK的二分之一，CLK/4的频率为CLK的四分之一，与CLK/2互补，与CLK/4互补。

本发明的PN结测温方法的时序如附图5所示，本发明的PN结测温方法的包括以下步骤：

1.先设定压控电流源基准，两个压控电流源其倍数关系为2倍，Ui和2Ui，得到与串联电阻无关的V_out1，该结果被S/H2-1采样保持，

2.重新设定压控电流源基准，所述基准为步骤1的m倍，两个压控电流源倍数关系为2倍，即mUi和2mUi，得到与串联电阻无关的V_out1，该结果被S/H2-2采样保持，

3.再将S/H2-1和S/H2-2的输出进行相减，得到

$V_{\mathrm{out}2}={V_1}^{\′}-{V_2}^{\′}=\mathrm{\β}\ln \left(\frac{2I_{\mathrm{SO}}}{i_b}\right)T-\mathrm{\β}\ln \left(\frac{2I_{\mathrm{SO}}}{{\mathrm{mi}}_b}\right)T=\mathrm{\β}\ln \left(m\right)T$

4.重复步骤1-3，即可得到各时间段的温度值。

这里，V_out1可以是V_out1＝-2V_C1+V_C2，也可以是V_out1＝2V_C1-V_C2；V_out2可以是V_out2＝V₁'-V₂'，也可以是V_out2＝V₂'-V₁'，结果如表1。

表1 V_out1和V_out2的表达形式对V_out2结果的影响

Vout1的形式	Vout2的形式	Vout2结果
			Vout1＝-2VC1+VC2	Vout2＝V1'-V2'	βln(m)T
Vout1＝-2VC1+VC2	Vout2＝V2'-V1'	-βln(m)T
			Vout1＝2VC1-VC2	Vout2＝V1'-V2'	-βln(m)T
Vout1＝2VC1-VC2	Vout2＝V2'-V1'	βln(m)T

附图6是本发明的PN结测温方法的简化电路原理图，可用一个压控电流源和四个采样保持器按照上述时序完成本发明的工作。

本发明的PN结测温方法，利用两个压控电流源以及四个采样保持器S/H1-1、S/H1-2、S/H2-1、S/H2-2，分别得到两次与串联电阻无关的V_out1，第二次的基准电流是第一次基准电流的m倍，将两次与串联电阻无关的V_out1相减得到仅与测量时设定的基准电流倍数m、常数β以及绝对温度T相关的V_out2。该方法能够消除PN结串联电阻的影响，与反向饱和电流无关，可直接获得模拟输出，无需进行A/D转换，输出结果与温度保持线性关系。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可消除串联电阻影响且与反向饱和电流无关的PN结测温方法，其特征在于：所述方法采用PN结测温电路，所述电路包括两个压控电流源以及四个采样保持器S/H1-1、S/H1-2、S/H2-1、S/H2-2，两个压控电流源通过开关切换电路连接导线电阻Rw和PN结再接地，开关切换电路由时钟CLK控制，从开关切换电路与Rw之间的结点引出线连接采样保持器S/H1-1和S/H1-2的一端，S/H1-1的另一端通过2倍乘法器连接第一加法器，S/H1-2的另一端连接第一加法器，第一加法器的输出V_out1连接采样保持器S/H2-1和S/H2-2的一端，S/H1-1和S/H1-2的另一端连接第二加法器，第二加法器的输出为V_out2；S/H1-1的采样通过时钟CLK/2控制，S/H1-2的采样通过时钟控制，S/H2-1的采样通过时钟CLK/4控制，S/H2-1的采样通过时钟控制，其中，CLK/2的频率为CLK的二分之一，CLK/4的频率为CLK的四分之一，与CLK/2互补，与CLK/4互补；所述方法包括以下步骤：

S1.先设定所述压控电流源基准，两个压控电流源其倍数关系为2倍，Ui和2Ui，得到与串联电阻无关的V_out1，该结果被S/H2-1采样保持V₁'；

S2.重新设定所述压控电流源基准，所述基准为步骤1的m倍，两个压控电流源倍数关系为2倍，即mUi和2mUi，得到与串联电阻无关的V_out1，该结果被S/H2-2采样保持V₂'；

S3.再将S/H2-1的输出V₁'和S/H2-2的输出V₂'相减，得到V_out2；

S4.重复步骤1-3，即可得到各时间段的温度值。

2.根据权利要求1所述的PN结测温方法，其特征在于：所述得到与串联电阻无关的V_out1具体为：采样保持器S/H1-1保持压控电流源Ui输出的电流I_b1时的电压V_C1＝V_{F_ib1}+R_WI_b1，其中V_{F_ib1}为PN结正向电压；采样保持器S/H1-2保持另一压控电流源2Ui输出的电流I_b2时的电压V_C2＝V_{F_ib2}+2R_WI_b1，其中V_{F_ib2}为PN结正向电压，I_b2＝2I_b1；所述采样保持器S/H1-1的输出V_C1二倍后与采样保持器S/H1-2的输出V_C2做减法操作。

3.根据权利要求1所述的PN结测温方法，其特征在于：所述V_out2＝βln(m)T或V_out2＝-βln(m)T，其中，常数k为玻尔兹曼常数，q为基本电荷常数，T为绝对温度，n为理想因子。