眾所周知，p-n結二極管是最高約200℃的低溫精密溫度計的基礎。流經(jīng)二極管的電流保持恒定，二極管上的電壓則提供了溫度指示。恒定電流的幅值通常選小的，以便最大限度地減少二極管的自熱效應。二極管電壓隨溫度降低呈線(xiàn)性下降，因此有必要使用運放調節電路實(shí)現直接讀數。輸出校準使用電壓基準實(shí)現。
在這個(gè)設計想法中，以恒定電流驅動(dòng)的p-n結二極管概念是推導出來(lái)的，基本上取消了電壓基準和運放。最終可以形成一個(gè)簡(jiǎn)單但高度精確的與溫度呈比例的獨特電路實(shí)現。本文還推薦了一些有趣的應用。電路的工作基于開(kāi)關(guān)機制，允許兩個(gè)交替的恒定電流流經(jīng)二極管。這種方法用數學(xué)方法很容易理解，不過(guò)本文省略了一些細節。首先來(lái)看肖特基二極管公式：
上述公式給出了流經(jīng)p-n結二極管的電流(I)與二極管上的電壓(V)、溫度(T)和二極管半導體材料的理想因子(n)之間的關(guān)系。k是波茲曼常數，q是電量。In項是二極管反向飽和電流中與溫度無(wú)關(guān)的部分。在報道的實(shí)驗[1]中，一個(gè)硅1N4148二極管由電流I1和恒流I2先后交替驅動(dòng)，過(guò)渡發(fā)生在溫度T點(diǎn)。
圖1顯示了兩個(gè)電流對二極管電壓的影響，其中二極管在恒溫水槽中從溫度T0開(kāi)始冷卻。理論上，AB和CD線(xiàn)段向后延伸可以達到絕對零度(-273℃)。然而，二極管中的雜質(zhì)和其它效應限制了電路只能工作到-200℃左右。
圖1：直接均方根讀數溫度計的工作原理。
在溫度T點(diǎn)，兩個(gè)依次開(kāi)關(guān)的電流的使用將產(chǎn)生數據對：(T, I1, V1)和(T, I2, V2)。將這對數據置入肖特基公式可以很容易發(fā)現理想因子項中的壓差ΔV=V1(T)-V2(T)：
給定二極管的理想因子一般是常數，1N4148二極管的理想因子為1.9[1]。據觀(guān)察，硅二極管的電路可預測性要好于鍺二極管。在上個(gè)公式中，n、q/kT和ln(I1/I2)這幾項都是常數，我們可以用一個(gè)新的常數b將這個(gè)公式改寫(xiě)為：
ΔV(T)=bT，其中T的單位是開(kāi)爾文
因此只要在測量溫度點(diǎn)電流按比例開(kāi)關(guān)，給定溫度T點(diǎn)的電壓差就直接正比于溫度。開(kāi)關(guān)切換時(shí)間要小于溫度可能改變的時(shí)間。為了獲得更高的測量精度，在感興趣的溫度點(diǎn)的電壓差ΔV要大。圖1就建議大的I1/I2比值，但如果I1太大的話(huà)，自身產(chǎn)熱會(huì )上升。圖2顯示了一種創(chuàng )新的開(kāi)關(guān)型恒流鏡像電路，該電路由晶體管Q1和Q2組成，其中輸出電流在D1中進(jìn)行了鏡像。
圖2：開(kāi)關(guān)型恒流源。
在圖2中，Q2的負載電阻通過(guò)額外晶體管Q3切入或切出集電極，而Q3則由50%占空比的時(shí)鐘源V3進(jìn)行驅動(dòng)。這樣負載電阻就是可變的，當V3=5V時(shí)負載電阻值為R1，當V3=0V時(shí)值為(R1+R2)。圖2中顯示的值給出了20.14μA或111.38μA這兩個(gè)鏡像電流。將所有常數代入壓差公式得到：
ΔV(T)=2.8×10-4T
根據這個(gè)公式可以預測，溫度在-200℃時(shí)輸出ΔV=20.5mV，25℃時(shí)為83.4mV，200℃時(shí)為132.0mV。使用運放的放大電路可以將輸出提升到要求的水平。
在最終電路中，時(shí)鐘源可以是接近50%占空比的555非穩態(tài)時(shí)鐘，或嵌入式控制器的PWM輸出。設計在10kHz處進(jìn)行了測試。二極管電壓在V1和V2之間切換，因此固有直流電平可以使用具有低截止頻率(比如2Hz)的簡(jiǎn)單RC網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行濾除。
濾波可以確保方波輸出，并且可以忽略峰值電平衰減，不會(huì )引入頻率相關(guān)性。輸出隨后可以用交流模式的真正均方根數字電壓表在圖3中的“out1”端讀出。
圖3：均方根輸出直接正比于溫度的功能性電路。
工作頻率上限是二極管開(kāi)關(guān)響應變得遲緩時(shí)的值�？梢詫�(shí)現多種讀數增強功能。例如，將單位增益檢波器或精密全波整流器[2]連接到濾波器輸出端，確保輸出是正的，并且在圖3中的“out2”處得到與溫度呈比例的峰值和均方根值。
這種電路的可能應用有直接讀數的超線(xiàn)性寬范圍溫度計、閉環(huán)溫度控制以及溫度數據采集。將濾波后的輸出波形對高頻載波進(jìn)行幅度調制是一種有趣的應用。如果去掉RC濾波器、二極管直流中心電壓先緩沖然后應用到線(xiàn)性VCO中的調諧變容二極管還可以實(shí)現溫度對頻率的調制。頻率偏差則直接正比于溫度。
