PNP，NPN型三極管的PN結(jié)測(cè)量溫度解決方案

簡(jiǎn) 介： 根據(jù)PN結(jié)的電流電壓方程，可以看到它與PN溫度有關(guān)，基于此可以用于測(cè)量環(huán)境或者芯片內(nèi)部的溫度。選擇NPN，PNP三極管（2N3906,2N3904）所得到的溫度比起普通的PN結(jié)更加的精確。本文參照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[1] 給出了設(shè)計(jì)外部PN結(jié)測(cè)溫所需要的主要的方面。

01 理論基礎(chǔ)

1.1 相關(guān)芯片

在 ?LINEAR TECHNOLOGY[2] ?技術(shù)文檔Accurate Temperature Sensing with a External P-N Junction[6] ?給出了 利用外置的PN結(jié)測(cè)量溫度的方案。這類(lèi)方案中應(yīng)用到 ?LTC2974[3] 、 LTC3880[4] 、 LTC3883[5] 這類(lèi)開(kāi)關(guān)電源中的溫度管理中。

這篇文檔提到應(yīng)用PNP型三極管 2N3906[6] 的 b-e PN 結(jié)溫度特性來(lái)測(cè)量外部溫度。這個(gè)三極管在 ?三極管的耐壓與hFE之間是什么關(guān)系？[7] 被測(cè)量過(guò)，說(shuō)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(jié)的I-V特性測(cè)量Boltzmann常數(shù)[8] 利用了 對(duì)應(yīng)的 NPN型（ 2N2904[9] ）測(cè)量了Boltzmann常數(shù)，精度在1.4%之內(nèi)。這也間接證明了利用三極管中的PN結(jié)測(cè)量溫度的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.1.1 提出問(wèn)題

上面的資料給我們提出了以下問(wèn)題：

為什么需要借助于三極管中的PN結(jié)來(lái)測(cè)量溫度，而不是簡(jiǎn)單的使用普通的二極管的PN結(jié)？

對(duì)于PNP，NPN型三極管，究竟哪一種PN結(jié)測(cè)量溫度比較高？

（1）為什么使用三極管?

通常下，直接使用二極管測(cè)量V-A特性，會(huì)發(fā)現(xiàn)它與PN前向偏置電流方程有差別：

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。

▲ 圖1.1.1 ?PN結(jié)的V-I 特性

在 ?PN Junction Theory for Semiconductor Diodes[10] 中給出了二極管的 I-V 特性曲線：

▲ 圖1.1.2 ?二極管 I-V 特性曲線

在 ?Measurement ?of Boltzmanns constant[11] 作者D.E Evans展示了使用普通的設(shè)備在 ?TIP29[12] 功率 PNP三極管的 b-e 結(jié)上測(cè)量 e/k 常數(shù)的實(shí)驗(yàn)。其中提到，在滿(mǎn)足 ? V的時(shí)候，對(duì)于普通的PN結(jié)中的 多數(shù)載流子和表面電流的影響都被基極電流抵消了，因此集電極電流 ? 正好反映了 PN 結(jié)電流的內(nèi)容。

▲ 圖1.1.1 三極管的集電極電流反映了PN結(jié)電流

在 ?Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 的中間，CHOICE of PN Junction Device一節(jié)中也給出了為什么選擇 PNP，NPN三極管來(lái)測(cè)量PN溫度的說(shuō)明：

一些二極管的前向?qū)妷号c溫度之間并沒(méi)有特別大的關(guān)系，主要可能是來(lái)自于反向Is電流與溫度也有關(guān)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(guān)系，而不是像前面公式中所選擇的那樣；

三極管中的PN結(jié)具有很大的理想因子 ? ，這對(duì)于提高測(cè)量精度有利。

▲ 圖1.1.4 LTSpice 仿真對(duì)比了2N3906, 1N4148 PN結(jié) I-V特性曲線

（2）NPN 與 PNP

至于使用NPN還是PNP來(lái)測(cè)量溫度，在所能夠看到的文獻(xiàn)中并沒(méi)有進(jìn)行對(duì)比。

不過(guò)在Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 對(duì)于2N3906（PNP），2N3904（NPN）都表示可以的。

1.2 相關(guān)公式

1.2.1 PN結(jié)電流方程

：前向電流

：反向飽和電流

：B-E 前向電壓

：溫度電壓

：理想因子

：玻爾茲曼常數(shù)

在 ? 的時(shí)候，上述公式中的 ? 可以省略：

則對(duì)應(yīng)的溫度：

如果使用差分電流，也就是分別測(cè)量在 兩個(gè)電流下的對(duì)應(yīng) ，那么可以獲得：

特別是兩個(gè)電流呈現(xiàn)比例關(guān)系： ，則：

在最終的溫度計(jì)算公式中，二極管的反向飽和電流 被消去，就只剩下一個(gè)二極管理想因子 。

02 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路布線

▲ 圖2.1.1 測(cè)量基本原理圖

▲ 圖2.1.2 利用LTC2991讀取NPN的PN結(jié)溫度傳感器

※ 總??結(jié) ※

根據(jù)PN結(jié)的電流電壓方程，可以看到它與PN溫度有關(guān)，基于此可以用于測(cè)量環(huán)境或者芯片內(nèi)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結(jié)更加的精確。本文參照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[6] 給出了設(shè)計(jì)外部PN結(jié)測(cè)溫所需要的主要的方面。

參考資料

[1]

Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an137f.pdf

[2]

LINEAR TECHNOLOGY: https://baike.baidu.com/item/%E5%87%8C%E5%8A%9B%E5%B0%94%E7%89%B9%E5%85%AC%E5%8F%B8/10525125

[3]

LTC2974: https://www.analog.com/en/products/ltc2974.html

[4]

LTC3880: https://www.analog.com/en/products/ltc3880.html#product-overview

[5]

LTC3883: https://www.analog.com/cn/products/ltc3883.html

[6]

2N3906: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/2n3906-d.pdf

[7]

三極管的耐壓與hFE之間是什么關(guān)系？: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/120946851

[8]

利用二極管的P-N結(jié)的I-V特性測(cè)量Boltzmann常數(shù): https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/107117476

[9]

2N2904: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/11470/ONSEMI/2N3904.html

[10]

PN Junction Theory for Semiconductor Diodes: https://electricala2z.com/electronics/pn-junction-theory-for-semiconductor-diodes/

[11]

Measurement ?of Boltzmanns constant: http://pleclair.ua.edu/PH255/papers/Planck-Boltzmann/measure_e-k-2.pdf

[12]

TIP29: https://html.alldatasheet.com/html-pdf/2774/MOSPEC/TIP29/144/1/TIP29.html

編輯：黃飛