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Z元件温度补偿技术论文关键词:Z-元件、敏感元件、温度补偿、光敏、磁敏、力敏一、前言半导体敏感元件对温度都有一定的灵敏度。抑制温度漂移是半导体敏感元件的常见问题,Z-元件也不例外。本文在前述文章的基础上,详细介绍Z-元件的温度补偿原理与温度补偿方法,供光、磁、力敏Z-元件应用开发参考。不同品种的Z-元件均能以简单的电路,分别对温、光、磁、力等外部激励作用输出模拟、开关或脉冲频率信号[1][2][3],其中后两种为数字信号,可构成三端数字传感器。这种三端数字传感器不需放大和A/D转换就可与计算机直接通讯,直接用于多种物理参数的监控、报警、检测和计量,在数字信息时代具有广泛的应用前景,这是Z-元件的技术优势。但由于Z-元件是半导体敏感元件,对环境温度影响必然也有一定的灵敏度,这将在有效输出中因产生温度漂移而严重影响检测精度。因而,在高精度检测计量中,除在生产工艺上、电路参数设计上应尽可能降低光、磁、力敏Z-元件的温度灵敏度外,还必须研究Z-元件所特有的温度补偿技术。Z-元件的工作原理本身很便于进行温度补偿,补偿方法也很多。同一品种的Z-元件,因应用电路组态不同,其补偿原理与补偿方法也不同,特就模拟、开关和脉冲频率三种不同的输出组态分别叙述如下。二、模拟量输出的温度补偿对Z-元件的模拟量输出,温度补偿的目的是克服温度变化的干扰,调整静态工作点,使输出电压稳定。-元件的模拟量输出有正向(M1区)应用和反向应用两种方式,应用电路如图1所示,其中图1(a)为正向应用,图1(b)为反向应用,图2为温度补偿原理解析图。,温度补偿时应以标准温度20℃为温度补偿的工作基准,其中令:TS:标准温度T:工作温度QS:标准温度时的静态工作点Q:工作温度时的静态工作点QS￠:温度补偿后的静态工作点VOS:标准温度时的输出电压VO:工作温度时的输出电压在标准温度TS时,由电源电压E、负载电阻RL决定的负载线与TS时的M1区伏安特性(或反向特性)相交,确定静态工作点QS,输出电压为VOS。当环境温度从TS升高到T时,静态工作点QS沿负载线移动到Q,相应使输出电压由VOS增加到VO,且VO=VOS+DVO,产生输出漂移DVO,。若采用补偿措施在环境温度T时使工作点由Q移动到QS￠,使输出电压恢复为VO,则可抑制输出漂移,使DVO=0,达到全补偿。(1)利用NTC热敏电阻基于温度补偿原理,在图1(a)、(b)中,利用NTC热敏电阻Rt取代负载电阻RL,如图3(a)、(b)所示,温度补偿过程解析如图2所示。在图3电路中,标准温度TS时负载电阻为Rt,当温度升高到工作温度T时,使其阻值为Rt￠,可使静态工作点由Q推移到QS￠,由于Rt.(2)改变电源电压基于温度补偿原理,补偿电路如图4(a)、(b)所示,图5为补偿过程解析图,其中负载电阻RL值不变,当温度由TS升到T时,产生输出漂移DVO,为使DVO=0,可使ES相应增大到ES￠,若电源电压的调整量为DE,且DE=ES￠-ES,要满足DE=-KDVO的补偿条件,可达到全补偿。其中,K为比例系数,“负号”表示电压的改变方向应与输出漂移方向相反,比例系数K与负载线斜率有关,可通过计算或实验求取,且:为了得到满足补偿条件的按温度调变的电源电压,实际补偿时可采用缓变型PTC热敏电阻、NTC热敏电阻或温敏Z-元件来改变电源电压E,达到补偿的目的:①采用缓变型PTC热敏电阻采用缓变型PTC热敏电阻的补偿电路如图6所示。在图6中,Z-元件与负载电阻RL构成工作电路,工作电路的直流电源电压E由集成稳压电源LM317电路供电,Rt为缓变型热敏电阻,采用热敏电阻Rt的LM317电路的输出电压为:按温度补偿要求,当温度增加时,电源电压E应该增加,Rt应该增加,故Rt应选缓变型PTC热敏电阻。R2用于设定电压E的初始值,合理选择PTC热敏电阻Rt的初始值及其温度系数,使之满足DE=-KDVO的补偿条件即可达到补偿的目的。②采用NTC热敏电阻因缓变型PTC热敏电阻市售较少,而且补偿过程中温度系数也难于匹配,多数情况应采用NTC热敏电阻。若采用NTC热敏电阻进行补偿时,也可采用图6所示电路,但要把R1与Rt互换位置。当采用NTC型热敏电阻时,为了便于热敏电阻的补偿匹配,可利用运算放大器,实际补偿电路如图7所示。在图7中,Rt为NTC热敏电阻,供电的反相输入运放构成的比例放大器,通过该运放的反相作用,使LM317的输出电压EO适合工作Z-元件工作电压E的补偿极性要求。例如,温度升高时,EO下降,E增加;反之温度降低时,EO增加,E减少。该补偿电路的另一优点是,可通过运放比例系数的附加调整便于NTC热敏的补偿匹配。(3)差动补偿①并联差动补偿运放的第一级几乎没有例外均采用差动电路,并利用差动电路的对