精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)1/13Z元件溫度補償技術(shù)論文摘要本文詳細地介紹了光敏Z元件、磁敏Z元件以及力敏Z元件的溫度補償原理與補償方法，供用戶利用光、磁、力敏Z元件進行應用開發(fā)時參考。關(guān)鍵詞Z元件、敏感元件、溫度補償、光敏、磁敏、力敏一、前言半導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123，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用前景，這是Z元件的技術(shù)優(yōu)勢。但由于Z元件是半導體敏感元件，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)設計上應盡可能降低精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)2/13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囟茸兓母蓴_，調(diào)整靜態(tài)工作點，使輸出電壓穩(wěn)定。1應用電路Z元件的模擬量輸出有正向1區(qū)應用和反向應用兩種方式，應用電路如圖1所示，其中圖1A為正向應用，圖1B為反向應用，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，溫度補償時應以標準溫度20為溫度補償?shù)墓ぷ骰鶞?，其中令TS標準溫度T工作溫度QS標準溫度時的靜態(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標準溫度時的輸出電壓精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)3/13VO工作溫度時的輸出電壓在標準溫度TS時，由電源電壓E、負載電阻RL決定的負載線與TS時的1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，相應使輸出電壓由VOS增加到VO，且VOVOSDVO，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，使輸出電壓恢復為VO，則可抑制輸出漂移，使DVO0，達到全補償。1利用NTC熱敏電阻基于溫度補償原理，在圖1A、B中，利用NTC熱敏電阻RT取代負載電阻RL，如圖3A、B所示，溫度補償過程解析如圖2所示。在圖3電路中，標準溫度TS時負載電阻為RT，當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RTRT，故應選NTC熱敏電阻。當溫度漂移量DVO已知時，只要確定標準溫度時的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改變電源電壓精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)4/13基于溫度補償原理，補償電路如圖A、B所示，圖5為補償過程解析圖，其中負載電阻RL值不變，當溫度由TS升到T時，產(chǎn)生輸出漂移DVO，為使DVO0，可使ES相應增大到ES，若電源電壓的調(diào)整量為DE，且DEESES，要滿足DEKDVO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?，且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)哪康牟捎镁徸冃蚉TC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L317電路供電，RT為緩變型熱敏電阻，采用熱敏電阻RT的L317電路的輸出電壓為按溫度補償要求，當溫度增加時，電源電壓E應該增加，RT應該增加，故RT應選緩變型PTC熱敏電阻。R2用于設定電壓E的初始值，合理選擇PTC熱敏電阻RT的初精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)5/13始值及其溫度系數(shù)，使之滿足DEKDVO的補償條件即可達到補償?shù)哪康?。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L317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。3差動補償并聯(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。其精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)6/13中，圖8A為正向應用，圖8B為反向應用，圖8C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為相應的負載電阻。補償原理對差動對稱電路，當左右兩側(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VOVOC，當環(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，在標準溫度TS時，浮動輸出DVOVOVOC0，當溫度升高到工作溫度T時，因左右兩支路電流同步增加，DVOVOVOC0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，在電路上應采用輔助調(diào)整措施，如圖8C中利用電位器RW。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黼娐啡鐖D9所示。其中圖9A為正向應用，圖9B為反向應用，圖9C和D為實用化精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)7/13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跇藴蕼囟萒S時，工作電流流過上下分壓支路，使輸出電壓VOE/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。三、開關(guān)量輸出的溫度補償開關(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)量輸出的溫度補償與模擬量輸出的溫度補償相比，兩者的補償目的不同。后者是模擬信號，當溫度改變時，引起靜態(tài)工作點偏移，通過補償調(diào)整靜態(tài)工作點，使輸出電壓恢復穩(wěn)定。前者是數(shù)字信號，數(shù)字信號的溫度穩(wěn)定性及其補償技術(shù)是一個新問題。在研究開關(guān)量輸出補償原理與補償方法之前，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，用于對物理參數(shù)的監(jiān)控與報警。其中，除溫控開關(guān)外，對這些控制開關(guān)的精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)8/13基本要求是應具有溫度穩(wěn)定性。也就是說，在光、磁或力等外部激勵作用下，并達到設定值時，應準確地產(chǎn)生輸出跳變，稱為有效跳變。而不應受環(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，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。實際上，由于Z元件的VTH值是溫度的函數(shù)，當環(huán)境溫度改變時，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，當滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件VZ3VTH時，外部激勵雖未達到設定值，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，這時外部激勵雖已達到設定值，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，在電路設計時必須考慮溫度補償技術(shù)。因此，對光、磁、力敏Z元件構(gòu)成控制開關(guān)的設計原則是在外部激勵作用下，必須能夠滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條VZVTH，而產(chǎn)生有效跳變；而當環(huán)境溫度變化時，則不應滿足轉(zhuǎn)換條件VZVTH，不致產(chǎn)生跳變誤差。前者通過合理地選擇靜態(tài)工作點來達到，后者則應采用溫度補償技術(shù)加以保證。2溫度補償原理精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)9/13上面已經(jīng)分析過，因為Z元件的VTH、ITH對溫度有一定的靈敏度，所以Z元件的開關(guān)量光、磁和力敏輸出會產(chǎn)生超前跳變和滯后跳變誤差。使用者在設計電路時，是依據(jù)有效激勵光、磁和力等的大小來確定靜態(tài)工作點QS，這時Z元件兩端的電壓為VZS，并具有下述關(guān)系VTHVZSDV1當T升高時，因VTH減小，DV就減小。當減小到DV0時，即VZSVTH時，就產(chǎn)生了超前跳變誤差；同理，當T下降時，因VTH增大，DV就增大，以至于大到有效激勵作用時，也不產(chǎn)生跳變，這就產(chǎn)生了滯后跳變誤差。當我們選定負載電阻RL值和電源電壓ES后，靜態(tài)工作點QS就確定了。因此，Z元件開關(guān)電路設計的著眼點應在于DV的取值。既要保證Z元件在有效激勵時，能產(chǎn)生有效跳變；而通過溫度補償又能保證DV的初始設計值不隨溫度變化，即可消除超前跳變誤差和滯后跳變誤差。3溫度補償方法1負載電阻的確定圖11A是開關(guān)信號電路的工作解析圖，圖11B是開關(guān)信號的波形圖。開關(guān)量輸出的輸出低電平VOL不是直精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)10/13線，其變化規(guī)律以及跳變幅值與1區(qū)特性和靜態(tài)工作點的設置有關(guān)，這是Z元件開關(guān)量輸出的特有問題。為保證應用中有足夠大的跳變幅值，輸出低電平不致太高，必須合適的設置靜態(tài)工作點，因而當電源電壓一定時，合理的選擇負載電阻RL的值十分重要。Z元件在沒有輸出開關(guān)信號，即工作在1區(qū)時，其功耗是很小的，只有工作在3區(qū)時，其功耗才增大。從圖11B可知，開關(guān)信號的低電平不是常數(shù)，因VOLIZRL，當溫度升高時，IZ增大使VOL增大，而且負載電阻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PZ02P，PZ02PIZVZIFVF。通過下述計算即可求出合適的負載電阻RL值按照產(chǎn)品標準的規(guī)定VFVTH/3取VZVFVTH/3，IFEVF/RLVTHVFITHRL/RL因為ITHRL很小，忽略不計，所以,所以（2）精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)11/132電源電壓ES的確定由圖12可知ESVZSIZSRLVTHDVIZSRL因為IZSRL很小，只有0102V，所以將其忽略不計，常溫下電源電壓ES為ESVTHDV考慮到電源電壓調(diào)變時，可能存在誤差，初始設計的DV值不能過小，其最小值建議為510CSP（SP為閾值點的溫度靈敏度）。所以ESVTH510CSP33同步改變電源電壓從圖12我們知道，當溫度上升到T1時，閾值點P將左移至P1點，若通過補償能自動將電源電壓由ES調(diào)整到E1，使工作點從QS左移至Q1，并使1式成立，DV即可保持不變，此時VTH1VZ1DV；當溫度下降到T2時，P點將右移至P2點，若將電源電壓ES由ES自動調(diào)整到E2，并使1式成立，DV仍可保持不變，此時VTH2VZ2DV即可消除跳變誤差，達到補償。在T1時，電源電壓為E1E1VTH1510SPVTHT1TSP510SP在T2時，電源電壓為E2E2VTH2510SPVTHT2TSP510SP在工精品文檔2016全新精品資料全新公文范文全程指導寫作獨家原創(chuàng)12/13作溫度范圍T2T1間電源電壓的調(diào)變量為DEDEE2E1T2T1SP（）從式可以看出，該開關(guān)量輸出電路的電源，應該是具有負溫度系數(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償1應用電路Z元件的脈沖頻率輸出有不同的電路組態(tài)，其應用組態(tài)之一如圖13所示。該電路當電源電壓E恒定時，在光、磁或力等外部激勵作用下，輸出端V