電路的均方根輸出在寬范圍內(nèi)與溫度呈線性比例關(guān)系解析

眾所周知，p-n結(jié)二極管是最高約200℃的低溫精密溫度計(jì)的基礎(chǔ)。流經(jīng)二極管的電流保持恒定，二極管上的電壓則提供了溫度指示。恒定電流的幅值通常選小的，以便最大限度地減少二極管的自熱效應(yīng)。二極管電壓隨溫度降低呈線性下降，因此有必要使用運(yùn)放調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)直接讀數(shù)。輸出校準(zhǔn)使用電壓基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。
　　在這個設(shè)計(jì)想法中，以恒定電流驅(qū)動的p-n結(jié)二極管概念是推導(dǎo)出來的，基本上取消了電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放。最終可以形成一個簡單但高度精確的與溫度呈比例的獨(dú)特電路實(shí)現(xiàn)。本文還推薦了一些有趣的應(yīng)用。電路的工作基于開關(guān)機(jī)制，允許兩個交替的恒定電流流經(jīng)二極管。這種方法用數(shù)學(xué)方法很容易理解，不過本文省略了一些細(xì)節(jié)。首先來看肖特基二極管公式：
　　
　　上述公式給出了流經(jīng)p-n結(jié)二極管的電流（I）與二極管上的電壓（V）、溫度（T）和二極管半導(dǎo)體材料的理想因子（n）之間的關(guān)系。k是波茲曼常數(shù)，q是電量。In項(xiàng)是二極管反向飽和電流中與溫度無關(guān)的部分。在報(bào)道的實(shí)驗(yàn)［1］中，一個硅1N4148二極管由電流I1和恒流I2先后交替驅(qū)動，過渡發(fā)生在溫度T點(diǎn)。
　　圖1顯示了兩個電流對二極管電壓的影響，其中二極管在恒溫水槽中從溫度T0開始冷卻。理論上，AB和CD線段向后延伸可以達(dá)到絕對零度（-273℃）。然而，二極管中的雜質(zhì)和其它效應(yīng)限制了電路只能工作到-200℃左右。
　　
　　圖1：直接均方根讀數(shù)溫度計(jì)的工作原理。