二極管作為傳感器的溫度測(cè)量的前端電路設(shè)計(jì)

  1. 引言
  通常傳感器的輸出很少能夠直接滿足ADC輸入電壓的需要。如果ADC的輸入范圍不能充分利用，將損失測(cè)量精度。使用運(yùn)放對(duì)信號(hào)實(shí)施幅度變化與電平移動(dòng)，可以滿足ADC的需求。一般情況，傳感器與ADC之間的電路設(shè)計(jì)過程如下：
  (1)確定傳感器輸出的電壓范圍，就是運(yùn)放電路的輸入電壓范圍。
  (2)確定ADC輸入電壓范圍，就是運(yùn)放輸出電壓范圍。
  (3)由運(yùn)放的輸出范圍和輸入范圍確定運(yùn)放增益。
  (4)確認(rèn)傳感器的輸出阻抗，并由此確定運(yùn)放的輸入阻抗、電路型式以及輸入偏置電流的影響。
  (5)確認(rèn)ADC的輸入阻抗，并由此確定運(yùn)放的輸出阻抗。
  (6)參考運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，特別是失調(diào)與漂移指標(biāo)，以及噪聲、電源電流，頻率相應(yīng)等。
  (7)選擇電路結(jié)構(gòu)后，求解電路中的電阻數(shù)值。
  (8)安裝電路，并調(diào)試。
 
  2. 二極管作為溫度傳感器
  二極管的泄漏電流Is與結(jié)溫Tj有關(guān)，近似增加+7.2%℃，或者就是說，當(dāng)溫度增加10℃時(shí)，Is近似增加一倍。二極管的電流與Is有關(guān)，因此當(dāng)溫度增加時(shí)，Is也增加。若是保持Is不變，則二極管電壓降隨溫度升高而減少，對(duì)于硅二極管，其正向電壓的溫度系數(shù)為-2mV/℃，實(shí)際中，常用二極管的溫度特性測(cè)量溫度。
 
  3. 單電源運(yùn)放選擇
  該設(shè)計(jì)中采用單電源供電，因此選擇TI公司TLV247x系列運(yùn)放中的4運(yùn)放組合芯TLV2474。該芯片采用CMOS結(jié)構(gòu)，滿擺幅輸入與輸出。電源電壓范圍2.7V~6V，芯片的引腳排列如圖1所示。

  該芯片在T_A=25℃,V_DD=5V時(shí)參數(shù)如下：
  輸入失調(diào)電壓V_IO為±250μV
  失調(diào)溫漂△ V_OS/△_TA±0.4μV/℃
  輸入失調(diào)電流I_IO為±1.7pA
  輸入偏置電流I_B為2.5pA
  輸出電流I_os，±35mA
  大信號(hào)差模電壓增益A_VD=120dB
  差模輸入電阻rid為10¹²Ω
  最大輸出電壓擺幅(5V，I_O=±2.5mA)，V_OL為0.07V，V_OH為4.96V
  共模抑制比CMRR為84dB
  電源電壓抑制比為90dB
  最大電源電流(每個(gè)運(yùn)放)600μA
 
  4. 實(shí)際電路設(shè)計(jì)
  圖2所示的是二極管作為溫度傳感器測(cè)量溫度的電路。
  (1)電流源電路
  二極管在25℃時(shí)，電壓降為650mV，溫度每增加1℃ ，二極管壓降變化-2mV/℃?，F(xiàn)在要求測(cè)量溫度范圍為-25℃~100℃ ，則二極管在100℃時(shí)，輸出650-150=500mV，在-25℃時(shí)，輸出650+100=750mV。
  圖2中用運(yùn)放(TLV2474-3)組成的電流源向二極管供電，采用TL431穩(wěn)壓器件提供參考電壓，該電流源向二極管提供1mA的電流。  
  (2)ADC輸入與運(yùn)放輸出之間的關(guān)系
  選擇12位,ADC，模擬信號(hào)輸入范圍為0~5V，因此需要運(yùn)放輸出范圍為0~5V，輸入信號(hào)V_IN1=500mV，V_IN2為750mV。輸入V_IN1=500mV對(duì)應(yīng)0V，輸入V_IN2=750mV對(duì)應(yīng)5V。對(duì)于ADC來說，高溫時(shí)，輸出數(shù)字最小,低溫時(shí)輸出數(shù)字最大。
  (3)估算運(yùn)放輸出擺幅
  選擇TLV2474運(yùn)放，在5V電源時(shí)，其共模輸入電壓為-0.2V~5.2V,因此可以滿500mV~750mV的輸入信號(hào)要求。該運(yùn)放在2kΩ負(fù)載時(shí)的高電平輸出，正常為4.96V，最小為4.85V；該運(yùn)放在2kΩ負(fù)載時(shí)的低電平輸出，正常為70mV，最大為150mV；為可靠放大，選擇擺幅高電平最小值、低電平最大值，則運(yùn)放輸出電壓范圍為150mV~4.85V之間。
  ADC為12位，因此每個(gè)數(shù)字為1.22mV，由于運(yùn)放輸出損失300mV,所以ADC輸出的4095bit中損失了246bit。
  (4)估算運(yùn)放增益與阻抗
  運(yùn)放增益近似為5V/0.25V=20。運(yùn)放輸入失調(diào)電壓為2.2mV，則對(duì)于20倍增益，相當(dāng)于輸出誤差為44mV，為36bit的ADC轉(zhuǎn)換誤差。
  二極管等效電阻re=26/IB，取二極管工作電流IB為1mA，則二極管等效電阻為26Ω。由于TLV2474運(yùn)放輸入阻抗為10¹²Ω，因此二極管電阻的影響可以忽略。
  ADC采樣時(shí)的輸入電阻為20KΩ，TLV2474運(yùn)放在閉環(huán)10倍放大倍數(shù)時(shí)的輸出電阻為2Ω，因此產(chǎn)生的誤差也可以忽略。
  (5)運(yùn)放參考電壓電路
  并用運(yùn)放(TLV2474-1)電壓跟隨的方式輸出，由于具有小的輸出電阻，因此做運(yùn)放增益估算時(shí)，可以不考慮參考電壓源的內(nèi)阻。
  (6)計(jì)算電路參數(shù)
  從電路可知，運(yùn)放(TLV2474-2)的輸入信號(hào)與需要的輸出信號(hào)有如下關(guān)系：
  對(duì)于500mV的輸入，應(yīng)該輸出0V，有0=0.5m+b.
  對(duì)于750mV的輸入，應(yīng)該輸出5V，有5=0.75m+b.
  因此可以得到m=-2b，得到-m/2=5-0.75m，可解出m=20,b=10。
  最后得到該運(yùn)放的輸出方程為   對(duì)于圖2所示電路，其輸出電壓表達(dá)式為   對(duì)比上兩式，有(R_F+R_G)/R_G=20。
  取R_G為,24.9kΩ，則R_F=473.1kΩ，取0.9R_F≈430kΩ為固定電阻R_fa,取0.1×2×R_F=94kΩ為電位器(實(shí)際取值為100kΩ)。
  由于V_REF×(R_F/R_G)=10V，所以V_REF≈0.53V，實(shí)際電路采用電位器(POT)分壓獲得該參考電壓。
 
  5. 結(jié)論
  本文討論了二極管溫度特性、ADC與運(yùn)放技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了實(shí)際的ADC前端測(cè)溫電路，設(shè)計(jì)內(nèi)容為電流源電路、參考電壓電路與放大器電路，給出了詳細(xì)電路參數(shù)。論文給出的溫度傳感器的ADC前端電路設(shè)計(jì)方法，可為類似設(shè)計(jì)提供參考
 
 
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