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Z元件的溫度補償技術(shù)
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(yīng)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(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)以標準溫度20℃為溫度補償?shù)墓ぷ骰鶞剩渲辛睿?
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
VO：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，標準溫度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
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�，且�?/p>
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。
(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，在標準溫度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�。在標準溫度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。
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(dāng)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(fù)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(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、磁或力等外部激勵作用下，并達到設(shè)定值時，應(yīng)準確地產(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，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(dāng)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(dāng)滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件VZ3Vth時，外部激勵雖未達到設(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，這時外部激勵雖已達到設(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(shè)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VZ≥Vth，而產(chǎn)生有效跳變；而當(dāng)環(huán)境溫度變化時，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)工作點來達到，后者則應(yīng)采用溫度補償技術(shù)加以保證。
2．溫度補償原理
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(shè)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：
Vth -VZS=DV (1)
當(dāng)T(℃)升高時，因Vth減小，DV就減小。當(dāng)減小到DV=0時，即VZS =Vth時，就產(chǎn)生了超前跳變誤差；同理，當(dāng)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(dāng)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(shè)計的著眼點應(yīng)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(shè)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11(a)是開關(guān)信號電路的工作解析圖，圖11(b)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，因而當(dāng)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M1區(qū)時，其功耗是很小的，只有工作 在M3區(qū)時，其功耗才增大。從圖11(b)可知，開關(guān)信號的低電平不是常數(shù)，因VOL=IZRL，當(dāng)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PZ=0.2PM，PZ=0.2PM=IZVZ=IfVf。通過下述計算即可求出合適的負載電阻RL值：
Vf≤Vth/3
�。篤Z=Vf=Vth /3，
If=(E-Vf)/RL=(Vth-Vf+IthRL)/RL
因為IthRL很小，忽略不計，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
因為IZSRL很小，只有0.1~0.2V，所以將其忽略不計，常溫下電源電壓ES為：
ES ≈Vth –DV
考慮到電源電壓調(diào)變時，可能存在誤差，初始設(shè)計的DV值不能過小，其最小值建議為(5~10°C) SP （SP為閾值點的溫度靈敏度）。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，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Vth1 –VZ1 =DV；當(dāng)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Vth2 –VZ2 =DV即可消除跳變誤差，達到補償。
在T1時，電源電壓為E1： E1= Vth1+(5~10℃) SP = Vth +(T1-T) SP+(5~10℃) SP
在T2時，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(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，在光、磁或力等外部激勵作用下，輸出端VO可輸出與外部激勵成比例的脈沖頻率信號，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)境溫度對有效輸出也具有一定靈敏度，這將嚴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，必須通過溫度補償對溫漂加以抑制。
2．溫度補償原理
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(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)。為研究溫度補償原理，確定合適的補償方法，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線性系統(tǒng)或者可進行線性化處理時，可利用疊加原理對該隱函數(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對輸出頻率的影響時，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，
進而得：STDT= - SE DE
為進一步定量地確定電壓E和溫度T之間的補償關(guān)系，可定義溫度補償系數(shù)C為： [°C/V]
補償系數(shù)C的物理意義是，工作電壓E每改變1V時，能補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，使補償系數(shù)C越大，越便于進行溫度補償。其中，“負號”表示為實現(xiàn)溫度補償，電壓E的改變方向應(yīng)與溫度變化的方向相反。補償系數(shù)C確定后，可按補償系數(shù)要求設(shè)計補償電路，實現(xiàn)溫度補償。
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