根据PN结的电流电压方程,可以看到它与PN温度有关,基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。选择NPN,PNN三极管(2N3906,2N3904)所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[1] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。
01 理论基础
1.1 相关芯片
在 LINEAR TECHNOLOGY[2] 技术文档Accurate Temperature Sensing with a External P-N Junction[6] 给出了 利用外置的PN结测量温度的方案。这类方案中应用到 LTC2974[3] 、 LTC3880[4] 、 LTC3883[5] 这类开关电源中的温度管理中。
这篇文档提到应用PNP型三极管 2N3906[6] 的 b-e PN 结温度特性来测量外部温度。这个三极管在 三极管的耐压与hFE之间是什么关系?[7] 被测量过,说明我手头是存在这款三极管的。在 博文 利用二极管的P-N结的I-V特性测量Boltzmann常数[8] 利用了 对应的 NPN型( 2N2904[9] )测量了Boltzmann常数,精度在1.4%之内。这也间接证明了利用三极管中的PN结测量温度的实验基础。
1.1.1 提出问题
上面的资料给我们提出了以下问题:
- 为什么需要借助于三极管中的PN结来测量温度,而不是简单的使用普通的二极管的PN结?对于PNP,NPN型三极管,究竟哪一种PN结测量温度比较高?
(1)为什么使用三极管?
通常下,直接使用二极管测量V-A特性,会发现它与PN前向偏置电流方程有差别:
下面是在 Forward and Reverse Bias of a PN Junction (Explained) 给出的普通二极管V-A特性曲线。
▲ 图1.1.1 PN结的V-I 特性
在 PN Junction Theory for Semiconductor Diodes[10] 中给出了二极管的 I-V 特性曲线:
▲ 图1.1.2 二极管 I-V 特性曲线
在 Measurement of Boltzmanns constant[11] 作者D.E Evans展示了使用普通的设备在 TIP29[12] 功率 PNP三极管的 b-e 结上测量 e/k 常数的实验。其中提到,在满足 V的时候,对于普通的PN结中的 多数载流子和表面电流的影响都被基极电流抵消了,因此集电极电流 正好反映了 PN 结电流的内容。
▲ 图1.1.1 三极管的集电极电流反映了PN结电流
在 Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 的中间,CHOICE of PN Junction Device一节中也给出了为什么选择 PNP,NPN三极管来测量PN温度的说明:
- 一些二极管的前向导通电压与温度之间并没有特别大的关系,主要可能是来自于反向Is电流与温度也有关系,这就为什么普通的二极管的电压特性与温度之间是反向的关系,而不是像前面公式中所选择的那样;三极管中的PN结具有很大的理想因子 ,这对于提高测量精度有利。
▲ 图1.1.4 LTSpice 仿真对比了2N3906, 1N4148 PN结 I-V特性曲线
(2)NPN 与 PNP
至于使用NPN还是PNP来测量温度,在所能够看到的文献中并没有进行对比。
不过在Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 对于2N3906(PNP),2N3904(NPN)都表示可以的。
1.2 相关公式
1.2.1 PN结电流方程
在最终的温度计算公式中,二极管的反向饱和电流 被消去,就只剩下一个二极管理想因子 。
02 电路设计
2.1 电路布线
▲ 图2.1.1 测量基本原理图
▲ 图2.1.2 利用LTC2991读取NPN的PN结温度传感器
※ 总 结 ※
根据PN结的电流电压方程,可以看到它与PN温度有关,基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。选择NPN,PNN三极管(2N3906,2N3904)所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[6] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。