一、前言
半導(dǎo)體敏感元件對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，詳細介紹Z-元件的溫度補償原理與溫度補償方法，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，分別對溫、光、磁、力等外部激勵作用輸出模擬、開關(guān)或脈沖頻率信號[1][2][3]，其中后兩種為數(shù)字信號，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)換就可與計算機直接通訊，直接用于多種物理參數(shù)的監(jiān)控、報警、檢測和計量，在數(shù)字信息時代具有廣泛的應(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)生溫度漂移而嚴重影響檢測精度。因而，在高精度檢測計量中，除在生產(chǎn)工藝上、電路參數(shù)設(shè)計上應(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償技術(shù)。
Z-元件的工作原理本身很便于進行溫度補償，補償方法也很多。同一品種的Z-元件，因應(yīng)用電路組態(tài)不同，其補償原理與補償方法也不同，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償
對Z-元件的模擬量輸出，溫度補償?shù)哪康氖强朔䴗囟茸兓母蓴_，調(diào)整靜態(tài)工作點，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為溫度補償原理解析圖。
2．溫度補償原理和補償方法
在圖2中，溫度補償時應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃為溫度補償?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)溫度時的靜態(tài)工作點
Q：工作溫度時的靜態(tài)工作點
QS￠：溫度補償后的靜態(tài)工作點
VOS：標(biāo)準(zhǔn)溫度時的輸出電壓
VO：工作溫度時的輸出電壓
在標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時，由電源電壓E、負載電阻RL決定的負載線與TS時的M1區(qū)伏安特性（或反向特性）相交，確定靜態(tài)工作點QS，輸出電壓為VOS。當(dāng)環(huán)境溫度從TS升高到T時，靜態(tài)工作點QS沿負載線移動到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，。若采用補償措施在環(huán)境溫度T時使工作點由Q移動到QS￠，使輸出電壓恢復(fù)為VO，則可抑制輸出漂移，使DVO＝0，達到全補償。
(1)利用NTC熱敏電阻
基于溫度補償原理，在圖1(a)、(b)中，利用NTC熱敏電阻Rt取代負載電阻RL，如圖3(a)、(b)所示，溫度補償過程解析如圖2所示。
在圖3電路中，標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時負載電阻為Rt，當(dāng)溫度升高到工作溫度T時，使其阻值為Rt￠，可使靜態(tài)工作點由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，只要確定標(biāo)準(zhǔn)溫度時的Rt值及合適的溫度系數(shù)(即B)值，使得在工作溫度時的阻值為Rt￠，即可達到全補償。
(2)改變電源電壓
基于溫度補償原理，補償電路如圖4(a)、(b)所示，圖5為補償過程解析圖，其中負載電阻RL值不變，當(dāng)溫度由TS升到T時，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的補償條件，可達到全補償。其中，K為比例系數(shù)，“負號”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與負載線斜率有關(guān)，可通過計算或?qū)嶒炃笕。遥?BR>
為了得到滿足補償條件的按溫度調(diào)變的電源電壓，實際補償時可采用緩變型 PTC熱敏電阻、NTC熱敏電阻或溫敏Z-元件來改變電源電壓E，達到補償?shù)哪康模?
①采用緩變型PTC熱敏電阻
采用緩變型PTC熱敏電阻的補償電路如圖6所示。
在圖6中，Z-元件與負載電阻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：
按溫度補償要求，當(dāng)溫度增加時，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的補償條件即可達到補償?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熱敏電阻進行補償時，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，為了便于熱敏電阻的補償匹配，可利用運算放大器，實際補償電路如圖7所示。
在圖7中，Rt為NTC熱敏電阻，A為由單電源VCC供電的反相輸入運放構(gòu)成的比例放大器，通過該運放的反相作用，使LM317的輸出電壓EO適合工作Z-元件工作電壓E的補償極性要求。例如，溫度升高時，EO下降，E增加；反之溫度降低時，EO增加，E減少。該補償電路的另一優(yōu)點是，可通過運放比例系數(shù)的附加調(diào)整便于NTC熱敏的補償匹配。
論文高精度正弦全自動激勵信號源的設(shè)計與實現(xiàn)來自www.66wen.com免費論文網(wǎng)
(3)差動補償
①并聯(lián)差動補償
運放的第一級幾乎沒有例外均采用差動電路，并利用差動電路的對稱性和元器件特性的一致性來補償溫度漂移。Z-元件也可采用這種方法，補償電路如圖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)為實際補償電路。其中Z為工作Z-元件，ZC為補償Z-元件，RL與RC為相應(yīng)的負載電阻。
補償原理：對差動對稱電路，當(dāng)左右兩側(cè)工作Z-元件Z與補償Z-元件ZC的靜態(tài)伏安特性與動態(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，采用浮動輸出，因始終保持VO=VOC，當(dāng)環(huán)境溫度改變時，也不會產(chǎn)生溫漂，而工作Z-元件有其它外部激勵作用(如光、磁、力等)時，則可產(chǎn)生有效輸出。
理論上，若左右元器件完全對稱，在標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時，浮動輸出DVO=VO-VOC=0，當(dāng)溫度升高到工作溫度T時，因左右兩支路電流同步增加，DVO=VO-VOC=0仍然成立。實際上，左右兩支路元器件不可能完全對稱，特別是Z-元件有一定的離散性，使DVO不可能完全為0。因而，除按補償精度要求，對Z-元件的一致性進行嚴格篩選外，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)差動補償
并聯(lián)對稱補償?shù)娜秉c是浮動輸出，為變成單端輸出還需要一個雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換電路。采用串聯(lián)對稱補償可克服這一缺點。
串聯(lián)對稱補償?shù)脑?a href=/articles/ShowSearch.Asp?keyword=電路&Field=Keyword class='s14' target='_blank' style='color:#FF0000;BORDER-BOTTOM: 1px dotted; BACKGROUND-COLOR: transparent; TEXT-DECORATION: none'>電路如圖9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)為實用化補償電路。
補償原理：該補償電路為“上下對稱”結(jié)構(gòu)，元器件的一致性要求與并聯(lián)對稱補償?shù)囊笙嗤Ｔ跇?biāo)準(zhǔn)溫度TS時，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，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)有其它外部激勵作用時，可產(chǎn)生有效輸出。
該補償電路的缺點是靜態(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。
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