应用实例：集成温度传感器优化方案

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图7-45A/D转换和数码显示电路框图

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。实际上，中国也开发出了同类型的产品SG590。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在5～15V变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。

（1）AD590简介

AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其外形如图7-37所示，它采用金属壳3脚封装，其中，1脚为电源正端V＋，2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的符号如图7-38所示。

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图7-37　AD590的外形

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图7-38　集成温度传感器电路符号

AD590的主要特性参数如下：

工作电压：4～30V；

工作温度：－55℃～＋150℃；

保存温度：－65℃～＋175℃；

正向电压：＋44V；

反向电压：－20V；

焊接温度（10秒）：300℃；

灵敏度：1μA/K。

（2）AD590的工作原理

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串联一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将与被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。

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图7-39　感温部分的核心电路

图7-39是利用ΔUbe特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中，VT1、VT2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；VT3、VT4是感温用的晶体管，两个管子的材质和工艺完全相同，但VT3实质上是由n个晶体管并联而成的，因而其结面积是VT4的n倍。VT3和VT4的发射结电压Ube3和Ube4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUbe。因此，I1＝ΔUbe/R。对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图7-39中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA/K的I值。

如图7-40所示为AD590的内部电路。图中，VT1～VT4相当于图7-39中的VT1、VT2；VT9、VT11相当于图7-39中的VT3、VT4；R5、R6是利用薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用；VT7、VT8、VT10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗；VT5、VT12和VT10为启动电路，其中VT5为恒定偏置二极管；VT6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称；R1、R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。VT1～VT4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得VT9，VT10，VT11三者的发射极电流相等，并且为整个电路总电流I的1/3。

VT9和VT11的发射结面积比为8∶1，VT10和VT11的发射结面积相等。VT9和VT11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以得出

R6上只有VT9的发射极电流，而R5上除了来自VT10的发射极电流外，还有来自VT11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2/3。

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图7-40　AD590的内部电路

根据上式不难看出，要想改变ΔUbe，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUbe减小，不过，改变R5对ΔUbe的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下，使总电流I达到1μA/K。

（3）测温电路的设计

在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV/K，为了使此电阻更加精确（0.1％），可用一个9.6kΩ的电阻与一个1kΩ电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ。

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图7-41　电流/电压及绝对/摄氏温标转换电路

图7-41所示为一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路，其中，运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。运算放大器A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1.235V），然后将此电压放大到2.73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。例如，将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.73V，同样使A2的输出端电压也为2.73V，因此A1与A2两输出端之间的电压：2.73－2.73＝0V，即对应于0℃。

如图7-42所示为简单的测温电路。AD590在25℃（298.2K）时，理想输出电流为298.2μA，但实际上存在一定误差，可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压U0满足1mV/K的关系（如25℃时，U0＝298.2mV）。调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压U0读出AD590所处的热力学温度。

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图7-42　简单的测温电路

如图7-43所示为简单的控温电路。图中，LM311为比较器，它的输出端控制加热器电流；调节RT可改变比较电压，从而改变了控制温度；AD581是稳压器，为AD590提供一个合理的稳定电压。

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图7-43　简单的控温电路

2.A/D转换和显示电路的设计

设计A/D转换和显示电路有两种方案：用A/D转换器MC14433实现和用ICL7106实现。

（1）用A/D转换器MC14433实现

如图7-44所示为用MC14433实现的转换和显示电路。首先将AD590的输出电流转换成电压，由于此信号为模拟信号，因此，还需将此信号转换成数字信号。此电路的作用是通过MC14433将模拟信号转换成数字信号，以控制显示电路。其中，MC14511为译码/锁存/驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段译码，LED数码显示由MC14433的位选信号DS1～DS4通过达林顿阵列MC14413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“＋”“－”温度的显示。当DS1＝1，Q2＝1时，显示为正；当Q2＝0时，显示为负。

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图7-44　AD590A/D转换和LCD显示框

（2）用ICL7106实现

图7-45所示为采用ICL7106实现的转换及LCD显示电路框。其中，ICL7106是3位半显示的A/D转换电路，它内含液晶显示驱动电路，可用来进行A/D转换和LCD显示驱动。

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图7-45　A/D转换和数码显示电路框图

应用实例：集成温度传感器优化方案

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