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Z元件的溫度補(bǔ)償技術(shù)
摘要：本文詳細(xì)地介紹了光敏Z-元件、磁敏Z-元件以及力敏Z-元件的溫度補(bǔ)償原理與補(bǔ)償方法，供用戶利用光、磁、力敏Z-元件進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)參考。關(guān)鍵詞：Z-元件、敏感元件、溫度補(bǔ)償、光敏、磁敏、力敏
一、前言
半導(dǎo)體敏感元件對(duì)溫度都有一定的靈敏度。抑制溫度漂移是半導(dǎo)體敏感元件的常見問題，Z-元件也不例外。本文在前述文章的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹Z-元件的溫度補(bǔ)償原理與溫度補(bǔ)償方法，供光、磁、力敏Z-元件應(yīng)用開發(fā)參考。
不同品種的Z-元件均能以簡單的電路，分別對(duì)溫、光、磁、力等外部激勵(lì)作用輸出模擬、開關(guān)或脈沖頻率信號(hào)[1][2][3]，其中后兩種為數(shù)字信號(hào)，可構(gòu)成三端數(shù)字傳感器。這種三端數(shù)字傳感器不需放大和A/D轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，直接用于多種物理參數(shù)的監(jiān)控、報(bào)警、檢測和計(jì)量，在數(shù)字信息時(shí)代具有廣泛的應(yīng)用前景，這是Z-元件的技術(shù)優(yōu)勢。但由于Z-元件是半導(dǎo)體敏感元件，對(duì)環(huán)境溫度影響必然也有一定的靈敏度，這將在有效輸出中因產(chǎn)生溫度漂移而嚴(yán)重影響檢測精度。因而，在高精度檢測計(jì)量中，除在生產(chǎn)工藝上、電路參數(shù)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能降低光、磁、力敏Z-元件的溫度靈敏度外，還必須研究Z-元件所特有的溫度補(bǔ)償技術(shù)。
Z-元件的工作原理本身很便于進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償方法也很多。同一品種的Z-元件，因應(yīng)用電路組態(tài)不同，其補(bǔ)償原理與補(bǔ)償方法也不同，特就模擬、開關(guān)和脈沖頻率三種不同的輸出組態(tài)分別敘述如下。
二、模擬量輸出的溫度補(bǔ)償 對(duì)Z-元件的模擬量輸出，溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖强朔䴗囟茸兓母蓴_，調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，使輸出電壓穩(wěn)定。
1．應(yīng)用電路
Z-元件的模擬量輸出有正向(M1區(qū))應(yīng)用和反向應(yīng)用兩種方式，應(yīng)用電路如圖1所示，其中圖1(a)為正向應(yīng)用，圖1(b)為反向應(yīng)用，圖2為溫度補(bǔ)償原理解析圖。
2．溫度補(bǔ)償原理和補(bǔ)償方法
在圖2中，溫度補(bǔ)償時(shí)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃為溫度補(bǔ)償?shù)墓ぷ骰鶞?zhǔn)，其中令：
TS：標(biāo)準(zhǔn)溫度
T：工作溫度
QS：標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)
Q：工作溫度時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)
QS￠：溫度補(bǔ)償后的靜態(tài)工作點(diǎn)
VOS：標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的輸出電壓
VO：工作溫度時(shí)的輸出電壓
在標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)，由電源電壓E、負(fù)載電阻RL決定的負(fù)載線與TS時(shí)的M1區(qū)伏安特性（或反向特性）相交，確定靜態(tài)工作點(diǎn)QS，輸出電壓為VOS。當(dāng)環(huán)境溫度從TS升高到T時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)QS沿負(fù)載線移動(dòng)到Q，相應(yīng)使輸出電壓由VOS增加到VO，且VO＝VOS＋DVO，產(chǎn)生輸出漂移DVO，。若采用補(bǔ)償措施在環(huán)境溫度T時(shí)使工作點(diǎn)由Q移動(dòng)到QS￠，使輸出電壓恢復(fù)為VO，則可抑制輸出漂移，使DVO＝0，達(dá)到全補(bǔ)償。
(1)利用NTC熱敏電阻
基于溫度補(bǔ)償原理，在圖1(a)、(b)中，利用NTC熱敏電阻Rt取代負(fù)載電阻RL，如圖3(a)、(b)所示，溫度補(bǔ)償過程解析如圖2所示。
在圖3電路中，標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)負(fù)載電阻為Rt，當(dāng)溫度升高到工作溫度T時(shí)，使其阻值為Rt￠，可使靜態(tài)工作點(diǎn)由Q推移到QS￠，由于Rt.<Rt￠，故應(yīng)選NTC熱敏電阻。當(dāng)溫度漂移量DVO已知時(shí)，只要確定標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的Rt值及合適的溫度系數(shù)(即B)值，使得在工作溫度時(shí)的阻值為Rt￠，即可達(dá)到全補(bǔ)償。
(2)改變電源電壓
基于溫度補(bǔ)償原理，補(bǔ)償電路如圖4(a)、(b)所示，圖5為補(bǔ)償過程解析圖，其中負(fù)載電阻RL值不變，當(dāng)溫度由TS升到T時(shí)，產(chǎn)生輸出漂移DVO，為使DVO=0，可使ES相應(yīng)增大到ES￠，若電源電壓的調(diào)整量為DE，且DE= ES￠-ES，要滿足DE=-KDVO的補(bǔ)償條件，可達(dá)到全補(bǔ)償。其中，K為比例系數(shù)，“負(fù)號(hào)”表示電壓的改變方向應(yīng)與輸出漂移方向相反，比例系數(shù)K與負(fù)載線斜率有關(guān)，可通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)求取，且：
為了得到滿足補(bǔ)償條件的按溫度調(diào)變的電源電壓，實(shí)際補(bǔ)償時(shí)可采用緩變型 PTC熱敏電阻、NTC熱敏電阻或溫敏Z-元件來改變電源電壓E，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康模?
①采用緩變型PTC熱敏電阻
采用緩變型PTC熱敏電阻的補(bǔ)償電路如圖6所示。
在圖6中，Z-元件與負(fù)載電阻RL構(gòu)成工作電路，工作電路的直流電源電壓E由集成穩(wěn)壓電源LM317電路供電，Rt為緩變型熱敏電阻，采用熱敏電阻Rt的LM317電路的輸出電壓為：
按溫度補(bǔ)償要求，當(dāng)溫度增加時(shí)，電源電壓E應(yīng)該增加，Rt應(yīng)該增加，故Rt應(yīng)選緩變型PTC熱敏電阻。R2用于設(shè)定電壓E的初始值，合理選擇PTC熱敏電阻Rt的初始值及其溫度系數(shù)，使之滿足DE=-KDVO的補(bǔ)償條件即可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?
②采用NTC熱敏電阻
因緩變型PTC熱敏電阻市售較少，而且補(bǔ)償過程中溫度系數(shù)也難于匹配，多數(shù)情況應(yīng)采用NTC熱敏電阻。
若采用NTC熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，也可采用圖6所示電路，但要把R1與Rt互換位置。
當(dāng)采用NTC型熱敏電阻時(shí)，為了便于熱敏電阻的補(bǔ)償匹配，可利用運(yùn)算放大器，實(shí)際補(bǔ)償電路如圖7所示。
在圖7中，Rt為NTC熱敏電阻，A為由單電源VCC供電的反相輸入運(yùn)放構(gòu)成的比例放大器，通過該運(yùn)放的反相作用，使LM317的輸出電壓EO適合工作Z-元件工作電壓E的補(bǔ)償極性要求。例如，溫度升高時(shí)，EO下降，E增加；反之溫度降低時(shí)，EO增加，E減少。該補(bǔ)償電路的另一優(yōu)點(diǎn)是，可通過運(yùn)放比例系數(shù)的附加調(diào)整便于NTC熱敏的補(bǔ)償匹配。
(3)差動(dòng)補(bǔ)償
①并聯(lián)差動(dòng)補(bǔ)償
運(yùn)放的第一級(jí)幾乎沒有例外均采用差動(dòng)電路，并利用差動(dòng)電路的對(duì)稱性和元器件特性的一致性來補(bǔ)償溫度漂移。Z-元件也可采用這種方法，補(bǔ)償電路如圖8所示。其中，圖8(a)為正向應(yīng)用，圖8(b)為反向應(yīng)用，圖8(c)為實(shí)際補(bǔ)償電路。其中Z為工作Z-元件，ZC為補(bǔ)償Z-元件，RL與RC為相應(yīng)的負(fù)載電阻。
補(bǔ)償原理：對(duì)差動(dòng)對(duì)稱電路，當(dāng)左右兩側(cè)工作Z-元件Z與補(bǔ)償Z-元件ZC的靜態(tài)伏安特性與動(dòng)態(tài)溫度系數(shù)完全一致，以及電阻RC與R阻值及其溫度系數(shù)也完全一致時(shí)，采用浮動(dòng)輸出，因始終保持VO=VOC，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生溫漂，而工作Z-元件有其它外部激勵(lì)作用(如光、磁、力等)時(shí)，則可產(chǎn)生有效輸出。
理論上，若左右元器件完全對(duì)稱，在標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)，浮動(dòng)輸出DVO=VO-VOC=0，當(dāng)溫度升高到工作溫度T時(shí)，因左右兩支路電流同步增加，DVO=VO-VOC=0仍然成立。實(shí)際上，左右兩支路元器件不可能完全對(duì)稱，特別是Z-元件有一定的離散性，使DVO不可能完全為0。因而，除按補(bǔ)償精度要求，對(duì)Z-元件的一致性進(jìn)行嚴(yán)格篩選外，在電路上應(yīng)采用輔助調(diào)整措施，如圖8(c)中利用電位器RW。
②串聯(lián)差動(dòng)補(bǔ)償
并聯(lián)對(duì)稱補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)是浮動(dòng)輸出，為變成單端輸出還需要一個(gè)雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換電路。采用串聯(lián)對(duì)稱補(bǔ)償可克服這一缺點(diǎn)。
串聯(lián)對(duì)稱補(bǔ)償?shù)脑黼娐啡鐖D9所示。其中圖9 (a)為正向應(yīng)用，圖9 (b)為反向應(yīng)用，圖9 (c)和(d)為實(shí)用化補(bǔ)償電路。
補(bǔ)償原理：該補(bǔ)償電路為“上下對(duì)稱”結(jié)構(gòu)，元器件的一致性要求與并聯(lián)對(duì)稱補(bǔ)償?shù)囊笙嗤�。在�?biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)，工作電流流過上下分壓支路，使輸出電壓VO=E/2。溫度升高到工作溫度T時(shí)，工作電流雖然增加，但輸出電壓VO仍為E/2，不產(chǎn)生溫度漂移。而工作Z-元件當(dāng)有其它外部激勵(lì)作用時(shí)，可產(chǎn)生有效輸出。
該補(bǔ)償電路的缺點(diǎn)是靜態(tài)輸出電壓不為零，為使靜態(tài)輸出電壓為零，需附加電平位移電路。
三、開關(guān)量輸出的溫度補(bǔ)償
開關(guān)量輸出電路示于圖10，(a)為電阻接地，(b)為Z-元件接地。開關(guān)量輸出的溫度補(bǔ)償與模擬量輸出的溫度補(bǔ)償相比，兩者的補(bǔ)償目的不同。后者是模擬信號(hào)，當(dāng)溫度改變時(shí)，引起靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，通過補(bǔ)償調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，使輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定。前者是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的溫度穩(wěn)定性及其補(bǔ)償技術(shù)是一個(gè)新問題。在研究開關(guān)量輸出補(bǔ)償原理與補(bǔ)償方法之前，必須先引入有效跳變與跳變誤差的新概念。
1．有效跳變與跳變誤差
溫、光、磁、力四種Z-元件均可相應(yīng)構(gòu)成溫控、光控、磁控、力控開關(guān)，提供開關(guān)量輸出，用于對(duì)物理參數(shù)的監(jiān)控與報(bào)警。其中，除溫控開關(guān)外，對(duì)這些控制開關(guān)的基本要求是應(yīng)具有溫度穩(wěn)定性。也就是說，在光、磁或力等外部激勵(lì)作用下，并達(dá)到設(shè)定值時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確地產(chǎn)生輸出跳變，稱為有效跳變。而不應(yīng)受環(huán)境溫度影響產(chǎn)生跳變誤差。由于開關(guān)量輸出是數(shù)字信號(hào)，其跳變誤差也必然是兩種極端的情況，為研究方便分別定義為超前跳變誤差和滯后跳變誤差。實(shí)際上，由于Z-元件的Vth值是溫度的函數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，因受Vth變化的影響，超前與滯后兩種跳變誤差都有可能發(fā)生。
若環(huán)境溫度升高，使Vth下降，當(dāng)滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件VZ3Vth時(shí)，外部激勵(lì)雖未達(dá)到設(shè)定值，可能產(chǎn)生“不該跳也跳”的超前跳變誤差；反之，若環(huán)境溫度降低，使Vth增加，這時(shí)外部激勵(lì)雖已達(dá)到設(shè)定值，但由于不能滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件VZ3Vth，則可能產(chǎn)生“該跳不跳”的滯后跳變誤差。
為克服這兩種跳變誤差，在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮溫度補(bǔ)償技術(shù)。因此，對(duì)光、磁、力敏Z-元件構(gòu)成控制開關(guān)的設(shè)計(jì)原則是：在外部激勵(lì)作用下，必須能夠滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條VZ≥Vth，而產(chǎn)生有效跳變；而當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，則不應(yīng)滿足轉(zhuǎn)換條件VZ≥Vth，不致產(chǎn)生跳變誤差。前者通過合理地選擇靜態(tài)工作點(diǎn)來達(dá)到，后者則應(yīng)采用溫度補(bǔ)償技術(shù)加以保證。
2．溫度補(bǔ)償原理
上面已經(jīng)分析過，因?yàn)閆-元件的Vth、Ith對(duì)溫度有一定的靈敏度，所以Z-元件的開關(guān)量(光、磁和力敏)輸出會(huì)產(chǎn)生超前跳變和滯后跳變誤差。
使用者在設(shè)計(jì)電路時(shí)，是依據(jù)有效激勵(lì)(光、磁和力等)的大小來確定靜態(tài)工作點(diǎn)QS，這時(shí)Z-元件兩端的電壓為VZS，并具有下述關(guān)系：
Vth -VZS=DV (1)
當(dāng)T(℃)升高時(shí)，因Vth減小，DV就減小。當(dāng)減小到DV=0時(shí)，即VZS =Vth時(shí)，就產(chǎn)生了超前跳變誤差；同理，當(dāng)T(℃)下降時(shí)，因Vth增大，DV就增大，以至于大到有效激勵(lì)作用時(shí)，也不產(chǎn)生跳變，這就產(chǎn)生了滯后跳變誤差。當(dāng)我們選定負(fù)載電阻RL值和電源電壓ES后，靜態(tài)工作點(diǎn)QS就確定了。因此，Z-元件開關(guān)電路設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)應(yīng)在于DV 的取值。既要保證Z-元件在有效激勵(lì)時(shí)，能產(chǎn)生有效跳變；而通過溫度補(bǔ)償又能保證DV的初始設(shè)計(jì)值不隨溫度變化，即可消除超前跳變誤差和滯后跳變誤差。
3．溫度補(bǔ)償方法
(1)負(fù)載電阻的確定
圖11(a)是開關(guān)信號(hào)電路的工作解析圖，圖11(b)是開關(guān)信號(hào)的波形圖。開關(guān)量輸出的輸出低電平VOL不是直線，其變化規(guī)律以及跳變幅值與M1區(qū)特性和靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置有關(guān)，這是Z-元件開關(guān)量輸出的特有問題。為保證應(yīng)用中有足夠大的跳變幅值，輸出低電平不致太高，必須合適的設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，因而當(dāng)電源電壓一定時(shí)，合理的選擇負(fù)載電阻RL的值十分重要。
Z-元件在沒有輸出開關(guān)信號(hào)，即工作在M1區(qū)時(shí)，其功耗是很小的，只有工作 在M3區(qū)時(shí)，其功耗才增大。從圖11(b)可知，開關(guān)信號(hào)的低電平不是常數(shù)，因VOL=IZRL，當(dāng)溫度升高時(shí)，IZ增大使VOL增大，而且負(fù)載電阻RL越大，低電平增大值也越大，因此，為了降低VOL，要求RL越小越好。由于受Z-元件功耗的限制，RL不能無限制的減小，為了Z-元件安全工作和降低電源的耗電，可選擇Z-元件的工作功耗為額定功耗的1/5，即PZ=0.2PM，PZ=0.2PM=IZVZ=IfVf。通過下述計(jì)算即可求出合適的負(fù)載電阻RL值：
Vf≤Vth/3
取：VZ=Vf=Vth /3，
If=(E-Vf)/RL=(Vth-Vf+IthRL)/RL
因?yàn)镮thRL很小，忽略不計(jì)，所以： ,
所以： （2）
(2)電源電壓ES的確定
由圖12可知
ES=VZS+IZSRL
= Vth –DV+ IZSRL
因?yàn)镮ZSRL很小，只有0.1~0.2V，所以將其忽略不計(jì)，常溫下電源電壓ES為：
ES ≈Vth –DV
考慮到電源電壓調(diào)變時(shí)，可能存在誤差，初始設(shè)計(jì)的DV值不能過小，其最小值建議為(5~10°C) SP （SP為閾值點(diǎn)的溫度靈敏度）。所以：ES= Vth +(5~10°C) SP (3)
(3)同步改變電源電壓
從圖12我們知道，當(dāng)溫度上升到T1時(shí)，閾值點(diǎn)P將左移至P1點(diǎn)，若通過補(bǔ)償能自動(dòng)將電源電壓由ES調(diào)整到E1，使工作點(diǎn)從QS左移至Q1，并使(1)式成立，DV即可保持不變，此時(shí)Vth1 –VZ1 =DV；當(dāng)溫度下降到T2時(shí)，P點(diǎn)將右移至P2點(diǎn)，若將電源電壓ES由ES自動(dòng)調(diào)整到E2，并使(1)式成立，DV仍可保持不變，此時(shí)Vth2 –VZ2 =DV即可消除跳變誤差，達(dá)到補(bǔ)償。
在T1時(shí)，電源電壓為E1： E1= Vth1+(5~10℃) SP = Vth +(T1-T) SP+(5~10℃) SP
在T2時(shí)，電源電壓為E2：E2= Vth2+(5~10℃) SP = Vth +(T2-T) SP+(5~10℃) SP
在工作溫度范圍T2~T1間電源電壓的調(diào)變量為DE：
DE＝E2-E1=(T2-T1) SP （4）
從(4)式可以看出，該開關(guān)量輸出電路的電源，應(yīng)該是具有負(fù)溫度系數(shù)的直流電源，該電源可選用圖6中的電源E，只需把Rt換成NTC電阻，或用圖7中電源EO。
四、脈沖頻率輸出的溫度補(bǔ)償
1．應(yīng)用電路
Z-元件的脈沖頻率輸出有不同的電路組態(tài)，其應(yīng)用組態(tài)之一如圖13所示。該電路當(dāng)電源電壓E恒定時(shí)，在光、磁或力等外部激勵(lì)作用下，輸出端VO可輸出與外部激勵(lì)成比例的脈沖頻率信號(hào)，稱為有效輸出，波形為鋸齒波，如圖14所示。作為半導(dǎo)體敏感元件，由于環(huán)境溫度對(duì)有效輸出也具有一定靈敏度，這將嚴(yán)重影響有效輸出的檢測精度，當(dāng)環(huán)境溫度變化較大或檢測精度要求較高時(shí)，必須通過溫度補(bǔ)償對(duì)溫漂加以抑制。
2．溫度補(bǔ)償原理
Z-元件的輸出頻率f與工作電壓E有關(guān)，與電路結(jié)構(gòu)以及參數(shù)有關(guān)，也與使用環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)電路結(jié)構(gòu)以及參數(shù)一定時(shí)(C=0.1mF，RL=15kW)輸出頻率f僅與工作電壓E和工作溫度T有關(guān)。為研究溫度補(bǔ)償原理，確定合適的補(bǔ)償方法，特列出三者的隱函數(shù)關(guān)系：f = F ( T , E )
如果把Z-元件構(gòu)成的頻率輸出電路看成是一個(gè)線性系統(tǒng)或者可進(jìn)行線性化處理時(shí)，可利用疊加原理對(duì)該隱函數(shù)求其偏微分：
當(dāng)電源電壓改變DE，并恰好克服由溫度變化DT對(duì)輸出頻率的影響時(shí)，輸出頻率將保持不變，即Df = 0，則：
若設(shè)： 為溫度靈敏度, 為電壓靈敏度，
進(jìn)而得：STDT= - SE DE
為進(jìn)一步定量地確定電壓E和溫度T之間的補(bǔ)償關(guān)系，可定義溫度補(bǔ)償系數(shù)C為： [°C/V]
補(bǔ)償系數(shù)C的物理意義是，工作電壓E每改變1V時(shí)，能補(bǔ)償溫度變化多少度所引起的輸出頻率f 的溫漂。顯然，SE越大，或ST越小，使補(bǔ)償系數(shù)C越大，越便于進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其中，“負(fù)號(hào)”表示為實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，電壓E的改變方向應(yīng)與溫度變化的方向相反。補(bǔ)償系數(shù)C確定后，可按補(bǔ)償系數(shù)要求設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
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