摘要:本文详细地介绍了光敏z-元件、磁敏z-元件以及力敏z-元件的温度补偿原理与补偿方法,供用户利用光、磁、力敏z-元件进行应用开发时参考。
关键词:z-元件 敏感元件 温度补偿 光敏 磁敏 力敏
一、前言 半导体敏感元件对温度都有一定的灵敏度。抑制温度漂移是半导体敏感元件的常见问题,z-元件也不例外。本文在前述文章的基础上,详细介绍z-元件的温度补偿原理与温度补偿方法,供光、磁、力敏z-元件应用开发参考。 不同品种的z-元件均能以简单的电路,分别对温、光、磁、力等外部激励作用输出模拟、开关或脉冲频率信号[1][2][3],其中后两种为数字信号,可构成三端数字传感器。这种三端数字传感器不需放大和a/d转换就可与计算机直接通讯,直接用于多种物理参数的监控、报警、检测和计量,在数字信息时代具有广泛的应用前景,这是z-元件的技术优势。但由于z-元件是半导体敏感元件,对环境温度影响必然也有一定的灵敏度,这将在有效输出中因产生温度漂移而严重影响检测精度。因而,在高精度检测计量中,除在生产工艺上、电路参数设计上应尽可能降低光、磁、力敏z-元件的温度灵敏度外,还必须研究z-元件所特有的温度补偿技术。 z-元件的工作原理本身很便于进行温度补偿,补偿方法也很多。同一品种的z-元件,因应用电路组态不同,其补偿原理与补偿方法也不同,特就模拟、开关和脉冲频率三种不同的输出组态分别叙述如下。 二、模拟量输出的温度补偿 对z-元件的模拟量输出,温度补偿的目的是克服温度变化的干扰,调整静态工作点,使输出电压稳定。 1.应用电路 z-元件的模拟量输出有正向(m1区)应用和反向应用两种方式,应用电路如图1所示,其中图1(a)为正向应用,图1(b)为反向应用,图2为温度补偿原理解析图。 2.温度补偿原理和补偿方法 在图2中,温度补偿时应以标准温度20℃为温度补偿的工作基准,其中令: ts:标准温度 t:工作温度 qs:标准温度时的静态工作点 q:工作温度时的静态工作点 qs¢:温度补偿后的静态工作点 vos:标准温度时的输出电压 vo:工作温度时的输出电压 在标准温度ts时,由电源电压e、负载电阻rl决定的负载线与ts时的m1区伏安特性(或反向特性)相交,确定静态工作点qs,输出电压为vos。当环境温度从ts升高到t时,静态工作点qs沿负载线移动到q,相应使输出电压由vos增加到vo,且vo=vos+dvo,产生输出漂移dvo。若采用补偿措施在环境温度t时使工作点由q移动到qs¢,使输出电压恢复为vo,则可抑制输出漂移,使dvo=0,达到全补偿。 (1)利用ntc热敏电阻 基于温度补偿原理,在图1(a)、(b)中,利用ntc热敏电阻rt取代负载电阻rl,如图3(a)、(b)所示,温度补偿过程解析如图2所示。 在图3电路中,标准温度ts时负载电阻为rt,当温度升高到工作温度t时,使其阻值为rt¢,可使静态工作点由q推移到qs¢,由于rt.