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哈尔滨工业大学“PN节温度敏感元件测温电路”设计姓名：班级：学号：2015.06.132一、摘要运算放大器是模拟电路中的特殊放大器，只要适当选取外部元件，就能构成各种运算电路，如放大、加法、减法、微分和积分等，并因此而得名。自20世纪60年代集成运放问世以来，运放各个系列产品层出不穷，以价格低、性能优得到广泛应用，现已持续不断地渗透到模拟和混合模拟一数字电子学的各个领域。通过对集成运放基本知识的学习，我们已经能够设计一些简单的线性应用电路。二、关键词集成运放、线性应用、PN节温度测量三、引言温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。四、正文晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。1.设计要求A.测量温度范围内0-30℃,输出电压上限5V;B.电阻用标准值;C.所选运放型号,管脚图;D.1N4148相关参数;E.对部分或全部电路仿真;2.方案提出传统测温技术限于其测量速度慢、测温精度低、可互换性差一般不适合在应用在高新领域，而红外测温等非接触式测温也因为成本较高，也不适合于一般研究应用，由于半导体测温技术简单精确，成本低廉，性价比十分突出，特别适合于工业和技术研究领域。PN结测温原理上简单易行，是研究分析测温技术的重要手段，也是掌握一般设计方法的重要途径。33.分析过程首先，为了获得温度的变化，需要通过传感器，这里选取晶体二极管作为传感器，通过测量二极管两端电压的变化来反应温度的变化。考虑到二极管在温度变化时，如果不限制通过其电流，那么不仅起两端电压变化，其它参数也会变化，这为后期处理带来不便。因此，通过加入恒流源限制通过二极管的电流，控制其它不必要的变量。由于二极管两端电压随温度变化不大，需要经过放大才能进行分析，因此在二极管电压输出端加入一个同向比例放大电路。由于对输出电压范围的限制，这里取放大倍数为5，根据二极管温度系数为-2mv/oC,则输出时为10/omvC，在030oC范围内，输出变化为3V。实验原理图如图1所示。图1实验原理图由同向放大电路性质，取12RK，28RK，则次级放大倍数为211(1)5uRAR。由于起始温度为0，这就有了一个调零的问题，于是，再引入一级放大电路，采用加法放大电路，通过调节外部输入电压来进行调零。这里采用一个取样电路，在一个正负电压之间进行取样作为外部输入，通过调节外部输入的大小来进行调4零。首先取5V的两个稳压源作为调零电路的电源，为了保护电路，这里采用三个电阻进行分压，对中间的电阻进行取样。取中间电阻为0200的可调电阻，两边电阻均为200.对于求和电路，取输入电阻均为10K，反馈电阻为10K，则此时输出与输入关系为01212()()fiiiiRuuuuuR。至此，所有电路参数计算完毕，温度变化与最终输出关系为010/oumvC。本设计采用普通硅二极管1N4148，它是玻璃封装（DO-35）的小信号二极管，最高可承受结温200℃，连续反向电压最大为75V，反向恢复时间最大4nS，重复峰值正向电流450mA，而且具有良好的温度-管压降线性度，灵敏度为2.2mV/℃左右，基本满足题目要求的测温要求，由恒流源提供稳定恒流时，可以进一步消除非线性误差，非常适合作为温度传感器使用。半导体二极管的PN结具有单向导通特性，多用于检波、整流，还具有对温度敏感的特性。PN结的正向压降具有负的温度系数，并且在一定范围内随温度近似呈线性变化，可作温度传感器使用。使用二极管PN结测温时，其测温范围常用在-20℃~+125℃，输出为模拟量。正向管压降（此处采用硅二极管）与温度的关系数据如图2。图21N4148温度特性曲线硅二极管的电流()-电压(V)方程为520qVkTIIe（1）0I为硅二极管饱和电流，q为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。0I与温度的关系为322()EgKTIfTTe（2）其中gE为硅在0K时禁带宽度。可以证明，函数()fT随T的变化基本上与𝑇3/2抵消，故联合（1）、（2）式可得()2qVEgKTIKe(3)2(lnln)gEKTVKIqq(4)因此，当二极管工作在恒流状态时，二极管电压与温度成线性关系，灵敏度为2(lnln)dVkKIdTq图3T=25oC时1N4148正向特性曲线6此处运放采用TL084CN，其管脚图如图4所示。图4TL084CN管脚图TL084CN，高速J-FET输入四通道运算放大器，在一个单片集成电路里包含了良好匹配的高压J-FET及双极性三极管。它具有宽共模及差模电压范围、低输入偏置及偏移电流、输出短路保护、高输入阻抗J-FET输入级、内部频率补偿、锁定自由操作、高循环率等特性。TL084CN相关参数如图5所示图5TL084CN相关参数4.仿真结果当温度为常温时，令恒定电流为15mA,输出为3.495V，如图6所示。在实际应用中，可以将此时的电压值设置为温度零点。由于Multisim中无法实现温度变化，因此将二极管1N4148换为信号源，模拟温度变化时1N4148输出电压的变化，如图8所示，可以看出，随着输入信号增加输出呈线性增加7图6实验原理图图7用电压源等效温度变化8图8用电压源等效温度变化仿真结果5.结果分析仿真结果表明，当信号源输入信号变化时，输出信号呈线性变化，等效为温度变化时的1N4148温度的变化，间接证明论此测温电路的可行性。当温度在030oC变化时，输出在3.4593.759V之间，满足题中给出的要求，同时通过前面的设计还给出了温度与输出电压之间的关系为010/oumvC。五、结束语（心得体会）通过本次设计，加深了对集成运算放大器线性应用的了解，学会了一些模拟电子设计的基本方法，通过对电路的仿真，加深了对Multisim的熟悉，为以后的学习打下了良好的基础。同时，通过查阅相关文献，对二极管的种类有了更多的了解，加深了对其工作原理的认识，掌握了一些简单的应用。在仿真中，由于无法实现温度变化，引入了等效代替法，为以后的一些难以处理的问题提供了思路。9六、参考文献[1]王淑娟.模拟电子技术基础.哈尔滨：高等教育出版社，2009.5.[2]李海燕.Multisim&Ultiboard电路设计与虚拟仪器仿真.北京：电子工业出版社，2012.2.[3]北方交通大学,冯民昌主编:[模拟集成电路系统](第2版)北京中国铁道出版社1998[4]汪惠.王志华编著:[电子电路的计算机辅助分析与设计方法]北京.清华大学出版社1996