Z元件温度补偿技术论文.docx
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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
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