如何利用PN結來測量溫度？

簡 介：

根據PN結的電流電壓方程，可以看到它與PN溫度有關，基于此可以用于測量環境或者芯片內部的溫度。選擇NPN，PNN三極管（2N3906,2N3904）所得到的溫度比起普通的PN屆更加的精確。本文參照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction 給出了設計外部PN結測溫所需要的主要的方面。

關鍵詞：

PN結，二極管

理論基礎

目 錄

Contents

相關芯片

相關公式

電路設計

電路布線

總 結

理論基礎

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Contents

相關芯片

相關公式

電路設計

電路布線

總 結

1.1 相關芯片

在 LINEAR TECHNOLOGY 技術文檔Accurate Temperature Sensing with a External P-N Junction 給出了 利用外置的PN結測量溫度的方案。這類方案中應用到 LTC2974 、 LTC3880 、 LTC3883 這類開關電源中的溫度管理中。

這篇文檔提到應用PNP型三極管 2N3906 的 b-e PN 結溫度特性來測量外部溫度。 這個三極管在 三極管的耐壓與hFE之間是什么關系？ 被測量過，說明我手頭是存在這款三極管的。在 博文 利用二極管的P-N結的I-V特性測量Boltzmann常數 利用了 對應的 NPN型（ 2N2904 ）測量了Boltzmann常數，精度在1.4%之內。這也間接證明了利用三極管中的PN屆測量溫度的實驗基礎。

1.1.1 提出問題

上面的資料給我們提出了以下問題：

為什么需要借助于三極管中的PN結來測量溫度，而不是簡單的使用普通的二極管的PN屆？

對于PNP，NPN型三極管，究竟哪一種PN屆測量溫度比較高？

通常下，直接使用二極管測量V-A特性，會發現它與PN前向偏置電流方程有差別：

i D = I s ( e V D n k ? T ? 1 ) = I s ( e V D n ? V T ? 1 ) i_D = I_s \left( {e^{{{V_D } \over {nk \cdot T}}} - 1} \right) = I_s \left( {e^{{{V_D } \over {n \cdot V_T }}} - 1} \right) iD =Is (enk?TVD ?1)=Is (en?VT VD ?1)

下面是在 Forward and Reverse Bias of a PN Junction (Explained) 給出的普通二極管V-A特性曲線。

在 PN Junction Theory for Semiconductor Diodes 中給出了二極管的 I-V 特性曲線：

在 Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction 的中間，CHOICE of PN Junction Device一節中也給出了為什么選擇 PNP，NPN三極管來測量PN溫度的說明：

一些二極管的前向導通電壓與溫度之間并沒有特別大的關系，主要可能是來自于反向Is電流與溫度也有關系，這就為什么普通的二極管的電壓特性與溫度之間是反向的關系，而不是像前面公式中所選擇的那樣；

三極管中的PN結具有很大的理想因子 n n n ，這對于提高測量精度有利。

至于使用NPN還是PNP來測量溫度，在所能夠看到的文獻中并沒有進行對比。

不過在Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction 對于2N3906（PNP），2N3904（NPN）都表示可以的。

1.2 相關公式

1.2.1 PN結電流方程

I C = I s ( e V B E n ? V T ? 1 ) I_C = I_s \left( {e^{{{V_{BE} } \over {n \cdot V_T }}} - 1} \right) IC =Is (en?VT VBE ?1)

V T = k T q V_T = {{kT} \over q} VT =qkT

I C I_C IC ：前向電流

I S I_S IS ：反向飽和電流

V B E V_{BE} VBE ：B-E 前向電壓

V T V_T VT ：溫度電壓

n n n ：理想因子

k k k ：玻爾茲曼常數

在 V B E > > V T V_{BE} > > V_T VBE >>VT 的時候，上述公式中的 ? 1 - 1 ?1 可以省略： V B E ≈ n ? k T q ln ? ( I C I S ) V_{BE} \approx n \cdot {{kT} \over q}\ln \left( {{{I_C } \over {I_S }}} \right) VBE ≈n?qkT ln(IS IC )

則對應的溫度： T = q ? V B E n k ? ln ? ( I C I S ) T = q \cdot {{V_{BE} } \over {nk \cdot \ln \left( {{{I_C } \over {I_S }}} \right)}} T=q?nk?ln(IS IC )VBE

如果使用差分電流，也就是分別測量在 I C 1 , I C 2 I_{C1} ,I_{C2} IC1 ,IC2 兩個電流下的對應 V B E 1 , V B E 2 V_{BE1} ,V_{BE2} VBE1 ,VBE2 ，那么可以獲得： T = V B E 1 ? V B E 2 n k q ln ? ( I C 1 I C 2 ) T = {{V_{BE1} - V_{BE2} } \over {{{nk} \over q}\ln \left( {{{I_{C1} } \over {I_{C2} }}} \right)}} T=qnk ln(IC2 IC1 )VBE1 ?VBE2

特別是兩個電流呈現比例關系： I C 2 = N ? I C 1 I_{C2} = N \cdot I_{C1} IC2 =N?IC1 ，則： T = V B E 1 ? V B E 2 n k q ln ? ( 1 N ) T = {{V_{BE1} - V_{BE2} } \over {{{nk} \over q}\ln \left( {{1 \over N}} \right)}} T=qnk ln(N1 )VBE1 ?VBE2

在最終的溫度計算公式中，二極管的反向飽和電流 I S I_S IS 被消去，就只剩下一個二極管理想因子 n n n 。

2.1 電路布線

根

據PN結的電流電壓方程，可以看到它與PN溫度有關，基于此可以用于測量環境或者芯片內部的溫度。選擇NPN，PNN三極管（2N3906,2N3904）所得到的溫度比起普通的PN屆更加的精確。本文參照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction 給出了設計外部PN結測溫所需要的主要的方面。

■ 相關文獻鏈接:

LINEAR TECHNOLOGY

Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction

LTC2974

LTC3880

LTC3883

2N3906

三極管的耐壓與hFE之間是什么關系？

利用二極管的P-N結的I-V特性測量Boltzmann常數

2N2904

Forward and Reverse Bias of a PN Junction (Explained)

PN Junction Theory for Semiconductor Diodes

Measurement of Boltzmanns constant

TIP29

● 相關圖表鏈接:

圖1.1.1 PN結的V-I 特性

圖1.1.2 二極管 I-V 特性曲線

圖1.1.1 三極管的集電極電流反映了PN結電流

圖1.1.4 LTSpice 仿真對比了2N3906, 1N4148 PN結 I-V特性曲線

圖2.1.1 測量基本原理圖

圖2.1.2 利用LTC2991讀取NPN的PN屆溫度傳感器

硬件開發

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