Простая математика, реализованная в (очень) простой схеме. Что тут может не понравиться?
Очень интересным (и одновременно важным) свойством (большинства) малосигнальных биполярных транзисторов является эффект температурной зависимости напряжения база-эмиттер (ΔVBE). Метод измерения температуры по ΔVBE удачно описан и применен в работе [1] известным и незабываемым гуру аналогового проектирования Джимом Уильямсом (см. стр. 7):
При комнатной температуре напряжение VBE диода с p-n переходом изменяется на 59.16 мВ на каждое десятикратное изменение тока. Температурная зависимость этой константы составляет 0.33 %/°C, или 198 мкВ/°C. Эта зависимость ΔVBE от тока сохраняется независимо от абсолютного значения напряжения VBE диода.
Перестраивая математику Уильямса, поскольку 198 мкВ = 1 В/5050, получаем, что 198 мкВ/°C на каждое десятикратное изменение тока дает (проще для запоминания… ха!):
(Здесь CR – отношение токов). Таким образом, если нам нужно какое-либо заданное значение ΔVBE/°C, то требуемое значение CR
Например, для ΔVBE/°C = 100 мкВ
Конечно, этот трюк работает и для градусов Фаренгейта, хотя и с другим масштабным коэффициентом. Поскольку 1 °F = 5/9 от 1 °C, для градусов Фаренгейта соответствующее значение будет
Следовательно, в примере с 100 мкВ, если ΔVBE/°F = 100 мкВ, то
На Рисунке 1 показано, как эта простая математика реализована в (очень) простой схеме.
 | |
| Рисунок 1. | Обычный биполярный транзистор Q1 служит точным датчиком абсолютной температуры для измерения в двух различных единицах (K и R). |
Вот как это работает. Выходной чередующийся управляющий ток коммутатора U1a, модулированный в соответствии с методом Уильямса, поступает на датчик Q1. Отношение токов составляет (приблизительно)
для измерения в единицах Цельсия (Кельвина) и 8.11 для Фаренгейта (Ранкина). «Приблизительно» – это потому, что соотношение сопротивлений пришлось (незначительно) скорректировать, чтобы компенсировать несколько десятков милливольт разницы между V+ и VBE транзистора Q1 и, таким образом, обеспечить точное соответствие отношений тока расчетным значениям.
Полученный сигнал переменного тока размахом 100 мкВ на градус синхронно выпрямляется коммутатором U1b и фильтруется конденсатором C3, превращаясь в выходное постоянное напряжение 100 мкВ на градус абсолютной температуры, которое можно напрямую измерить цифровым мультиметром. Тактовые импульсы частотой порядка 5 кГц для коммутации и выпрямления тока вырабатываются коммутатором U1c при небольшом участии одной стороны U1a.
Отметим, что, согласно анализу эффекта ΔVBE, проведенному Уильямсом, точность измерения температуры зависит только от точности отношения токов и, следовательно, только от точности сопротивлений резисторов R1 и R2. Никаких других эталонных элементов не требуется, и подойдет любой транзистор 2N3904.
Например, напряжение питания V+ может изменяться в диапазоне от 3 до 6 вольт без ущерба для точности. Пассивное выходное сопротивление составляет примерно 10 кОм. Следовательно, подключение к входу цифрового мультиметра с типичным входным сопротивлением 10 МОм также не окажет никакого влияния.
Спасибо, Джим!