基于三极管ΔVbe特性的温度计の原理与制作
苯宝宝正辛酸2024/02/11原创 电子技术仪器仪表 IP:江西

Jim Williams在Application Note 45《Transistor ∆VBE Based Thermometer》介绍过该电路,原文:

0001.jpg 0002.jpg

关于元件:

LTC1150为斩波放大器,有zero-drift以及良好的直流特性(实际上可以用OP07代替,而且是Pin to Pin)。

LTC1043为开关电容构建块,相当于可以自动开关(使电路在两个状态间来回切换)的Analog switch,C1用于设定切换频率。

LT1009为2.5V电压基准芯片。

电路的工作原理:

电路可划分为信号采集部分与信号放大部分

信号采集:

R1、R2、R4、R3、Q2构成10:1比例恒流源(原文R2、R3的值有误)

IMG_20240210_204606_edit_2917654778016771.jpg

当电路处于状态1时,LTC1043的Pin12的Pin14之间开路,Pin2与Pin6短路,恒流源输出4.3μA的电流流经三极管Q1的be结,在基极产生电压Ub1,电容C8上带有电压Ub1

IMG_20240210_204625_edit_2917602684974592.jpg

当电路处于状态2时,LTC1043的Pin12与Pin14短路,Pin2与Pin5短路,恒流源输出43μA的电流流经三极管Q1的be结,在基极产生电压Ub2 ,电容C2上带有电压Uc2

Uc2=Ub2-Ub1 

电压Uc2等于Q1基极在状态2时的电压与在状态1时的电压之差ΔUbe ,在电流为10:1时,这一值约59.16mV(@25℃),且ΔUbe具有温度特性,be结温度每上升1℃,ΔUbe就上升198μV,因此

ΔUbe=59.16mv+198μV*T

LT1043使电路不断在这两个状态间切换,电容C2上的电压不断“刷新”。

信号放大:

IMG_20240210_204636.jpg

ΔUbe施加于LTC1150同相端,LT1009产生2.5V电压经R8、R7分压产生约59mV的电压施加于反相端(实际上要根据实际情况调整R8的阻值来获得合适的电压,86kΩ只是一个大概的值)。LTC1150及C3、R6、R7构成500倍增益的放大器放大同相端与反相端电压的差量。运放输出电压为U,因此,

 UT=( ΔUbe-59mV)x500

=198μV*T*500

=99mV*T(约为100mV*T)

所以温度每上升1℃,LTC1150输出电压就增加100mV,达到了将温度信号转化为电信号的目的。

电路的制作与测试:

mmexport1707626102731.jpg

一开始在万能板上焊接,电阻电容全用0603封装,结果到处短路,但是验证了原理。后面打样了PCB。

20240205124539_IMG_0103.jpg

上面说的分压电阻实际用了88.7KΩ的,因为LT1150坏了,换上了OP07。电路的decouple要做好,不然会被市电干扰得没法工作,波形全是乱的。用热风枪加热三极管,可见输出电压上升:

20240205124431_MVI_0102.mp4 点击下载

用热水与水银温度计对电路进行测试:

20240209141102_IMG_0114.jpg

将电路放入自封袋后置于热水中,待输出电压开始下降时读出温度计上的读数并且记录。

IMG_20240209_210228_edit_2813778401415434.jpg

可见线性度还不错,不过LT1009因为焊接时过度加热导致性能恶化(坏了),输出的基准电压实际为2.521V,使电路输出电压的“零点”不准确。


全篇完

[修改于 9天20时前 - 2024/02/11 13:05:11]

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~~空空如也
研究黑魔法的生菜
9天10时前 IP:安徽
929408

非常赞的设计。👍

有个小问题,我觉得运放那边可以再放宽一点要求。LTC1150的失调电压是10uV,保证0.05uV/℃的温漂;OP07C的失调电压是60uV,保证0.5uV/℃的温漂。按照100mV/℃的标定值来看,这些运放完全不构成影响,说不定uA741都可以。这在技术上没啥用,但在成本上应该会有点改善。

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苯宝宝正辛酸作者
9天9时前 IP:江西
929409
引用研究黑魔法的生菜发表于1楼的内容
非常赞的设计。👍有个小问题,我觉得运放那边可以再放宽一点要求。LTC1150的失调电压是10uV,...

如果说按最差情况计算:

1707666842286.png

貌似失调电压与温漂的影响还是挺可观的

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