高精度正弦全自動(dòng)激勵(lì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、前言
　　
　　半導(dǎo)體敏感元件對溫度都有一定的靈敏度。抑制溫度漂移是半導(dǎo)體敏感元件的常見問題，Z-元件也不例外。本文在前述文章的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹Z-元件的溫度補(bǔ)償原理與溫度補(bǔ)償方法，供光、磁、力敏Z-元件應(yīng)用開發(fā)參考。
　　
　　不同品種的Z-元件均能以簡單的電路，分別對溫、光、磁、力等外部激勵(lì)作用輸出模擬、開關(guān)或脈沖頻率信號(hào)[1][2][3]，其中后兩種為數(shù)字信號(hào)，可構(gòu)成三端數(shù)字傳感器。這種三端數(shù)字傳感器不需放大和A/D轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，直接用于多種物理參數(shù)的監(jiān)控、報(bào)警、檢測和計(jì)量，在數(shù)字信息時(shí)代具有廣泛的應(yīng)用前景，這是Z-元件的技術(shù)優(yōu)勢。但由于Z-元件是半導(dǎo)體敏感元件，對環(huán)境溫度影響必然也有一定的靈敏度，這將在有效輸出中因產(chǎn)生溫度漂移而嚴(yán)重影響檢測精度。因而，在高精度檢測計(jì)量中，除在生產(chǎn)工藝上、電路參數(shù)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能降低光、磁、力敏Z-元件的溫度靈敏度外，還必須研究Z-元件所特有的溫度補(bǔ)償技術(shù)。
　　
　　Z-元件的工作原理本身很便于進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償方法也很多。同一品種的Z-元件，因應(yīng)用電路組態(tài)不同，其補(bǔ)償原理與補(bǔ)償方法也不同，特就模擬、開關(guān)和脈沖頻率三種不同的輸出組態(tài)分別敘述如下。
　　
　　二、模擬量輸出的溫度補(bǔ)償
　　
　　對Z-元件的模擬量輸出，溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖强朔�溫度變化的干擾，調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，使輸出電壓穩(wěn)定。
　　
　　1．應(yīng)用電路
　　
　　Z-元件的模擬量輸出有正向(M1區(qū))應(yīng)用和反向應(yīng)用兩種方式，應(yīng)用電路如圖1所示，其中圖1(a)為正向應(yīng)用，圖1(b)為反向應(yīng)用，圖2為溫度補(bǔ)償原理解析圖。
　　
　　2．溫度補(bǔ)償原理和補(bǔ)償方法
　　
　　在圖2中，溫度補(bǔ)償時(shí)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃為溫度補(bǔ)償?shù)墓ぷ骰鶞?zhǔn)，其中令：
　　
　　TS：標(biāo)準(zhǔn)溫度
　　
　　T：工作溫度
　　
　　QS：標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)
　　Q：工作溫度時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)
　　
　　QS￠：溫度補(bǔ)償后的靜態(tài)工作點(diǎn)
　　
　　VOS：標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的輸出電壓
　　
　　VO：工作溫度時(shí)的輸出電壓
　　
　　在標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)，由電源電壓E、負(fù)載電阻RL決定的負(fù)載線與TS時(shí)的M1區(qū)伏安特性（或反向特性）相交，確定靜態(tài)工作點(diǎn)QS，輸出電壓為VOS。當(dāng)環(huán)境溫度從TS升高到T時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)QS沿負(fù)載線移動(dòng)到Q，相應(yīng)使輸出電壓由VOS增加到VO，且VO＝VOS＋DVO，產(chǎn)生輸出漂移DVO，。若采用補(bǔ)償措施在環(huán)境溫度T時(shí)使工作點(diǎn)由Q移動(dòng)到QS￠，使輸出電壓恢復(fù)為VO，則可抑制輸出漂移，使DVO＝0，達(dá)到全補(bǔ)償。
　　
　　(1)利用NTC熱敏電阻
　　
　　基于溫度補(bǔ)償原理，在圖1(a)、(b)中，利用NTC熱敏電阻Rt取代負(fù)載電阻RL，如圖3(a)、(b)所示，溫度補(bǔ)償過程解析如圖2所示。
　　 
　　
　　在圖3電路中，標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)負(fù)載電阻為Rt，當(dāng)溫度升高到工作溫度T時(shí)，使其阻值為Rt￠，可使靜態(tài)工作點(diǎn)由Q推移到QS￠，由于Rt.<Rt￠，故應(yīng)選NTC熱敏電阻。當(dāng)溫度漂移量DVO已知時(shí)，只要確定標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的Rt值及合適的溫度系數(shù)(即B)值，使得在工作溫度時(shí)的阻值為Rt￠，即可達(dá)到全補(bǔ)償。
　　
　　(2)改變電源電壓
　　
　　基于溫度補(bǔ)償原理，補(bǔ)償電路如圖4(a)、(b)所示，圖5為補(bǔ)償過程解析圖，其中負(fù)載電阻RL值不變，當(dāng)溫度由TS升到T時(shí)，產(chǎn)生輸出漂移DVO，為使DVO=0，可使ES相應(yīng)增大到ES￠，若電源電壓的調(diào)整量為DE，且DE= ES￠-ES，要滿足DE=-KDVO的補(bǔ)償條件，可達(dá)到全補(bǔ)償。其中，K為比例系數(shù)，“負(fù)號(hào)”表示電壓的改變方向應(yīng)與輸出漂移方向相反，比例系數(shù)K與負(fù)載線斜率有關(guān)，可通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)求取，且：
　　
　　為了得到滿足補(bǔ)償條件的按溫度調(diào)變的電源電壓，實(shí)際補(bǔ)償時(shí)可采用緩變型 PTC熱敏電阻、NTC熱敏電阻或溫敏Z-元件來改變電源電壓E，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康模?
　　
　　①采用緩變型PTC熱敏電阻
　　
　　采用緩變型PTC熱敏電阻的補(bǔ)償電路如圖6所示。
　　
　　在圖6中，Z-元件與負(fù)載電阻RL構(gòu)成工作電路，工作電路的直流電源電壓E由集成穩(wěn)壓電源LM317電路供電，Rt為緩變型熱敏電阻，采用熱敏電阻Rt的LM317電路的輸出電壓為：
　　按溫度補(bǔ)償要求，當(dāng)溫度增加時(shí)，電源電壓E應(yīng)該增加，Rt應(yīng)該增加，故Rt應(yīng)選緩變型PTC熱敏電阻。R2用于設(shè)定電壓E的初始值，合理選擇PTC熱敏電阻Rt的初始值及其溫度系數(shù)，使之滿足DE=-KDVO的補(bǔ)償條件即可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?
　　
　　②采用NTC熱敏電阻
　　
　　因緩變型PTC熱敏電阻市售較少，而且補(bǔ)償過程中溫度系數(shù)也難于匹配，多數(shù)情況應(yīng)采用NTC熱敏電阻。
　　若采用NTC熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，也可采用圖6所示電路，但要把R1與Rt互換位置。
　　當(dāng)采用NTC型熱敏電阻時(shí)，為了便于熱敏電阻的補(bǔ)償匹配，可利用運(yùn)算放大器，實(shí)際補(bǔ)償電路如圖7所示。
　　
　　
　　
　　在圖7中，Rt為NTC熱敏電阻，A為由單電源VCC供電的反相輸入運(yùn)放構(gòu)成的比例放大器，通過該運(yùn)放的反相作用，使LM317的輸出電壓EO適合工作Z-元件工作電壓E的補(bǔ)償極性要求。例如，溫度升高時(shí)，EO下降，E增加；反之溫度降低時(shí)，EO增加，E減少。該補(bǔ)償電路的另一優(yōu)點(diǎn)是，可通過運(yùn)放比例系數(shù)的附加調(diào)整便于NTC熱敏的補(bǔ)償匹配。
　　
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　　(3)差動(dòng)補(bǔ)償
　　
　　①并聯(lián)差動(dòng)補(bǔ)償
　　
　　運(yùn)放的第一級(jí)幾乎沒有例外均采用差動(dòng)電路，并利用差動(dòng)電路的對稱性和元器件特性的一致性來補(bǔ)償溫度漂移。Z-元件也可采用這種方法，補(bǔ)償電路如圖8所示。其中，圖8(a)為正向應(yīng)用，圖8(b)為反向應(yīng)用，圖8(c)為實(shí)際補(bǔ)償電路。其中Z為工作Z-元件，ZC為補(bǔ)償Z-元件，RL與RC為相應(yīng)的負(fù)載電阻。
　　
　　補(bǔ)償原理：對差動(dòng)對稱電路，當(dāng)左右兩側(cè)工作Z-元件Z與補(bǔ)償Z-元件ZC的靜態(tài)伏安特性與動(dòng)態(tài)溫度系數(shù)完全一致，以及電阻RC與R阻值及其溫度系數(shù)也完全一致時(shí)，采用浮動(dòng)輸出，因始終保持VO=VOC，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生溫漂，而工作Z-元件有其它外部激勵(lì)作用(如光、磁、力等)時(shí)，則可產(chǎn)生有效輸出。
　　
　　
　　理論上，若左右元器件完全對稱，在標(biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)，浮動(dòng)輸出DVO=VO-VOC=0，當(dāng)溫度升高到工作溫度T時(shí)，因左右兩支路電流同步增加，DVO=VO-VOC=0仍然成立。實(shí)際上，左右兩支路元器件不可能完全對稱，特別是Z-元件有一定的離散性，使DVO不可能完全為0。因而，除按補(bǔ)償精度要求，對Z-元件的一致性進(jìn)行嚴(yán)格篩選外，在電路上應(yīng)采用輔助調(diào)整措施，如圖8(c)中利用電位器RW。
　　
　　②串聯(lián)差動(dòng)補(bǔ)償
　　
　　并聯(lián)對稱補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)是浮動(dòng)輸出，為變成單端輸出還需要一個(gè)雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換電路。采用串聯(lián)對稱補(bǔ)償可克服這一缺點(diǎn)。
　　
　　串聯(lián)對稱補(bǔ)償?shù)脑��?a href=/articles/ShowSearch.Asp?keyword=電路&Field=Keyword class='s14' target='_blank' style='color:#FF0000;BORDER-BOTTOM: 1px dotted; BACKGROUND-COLOR: transparent; TEXT-DECORATION: none'>電路如圖9所示。其中圖9 (a)為正向應(yīng)用，圖9 (b)為反向應(yīng)用，圖9 (c)和(d)為實(shí)用化補(bǔ)償電路。
　　
　　補(bǔ)償原理：該補(bǔ)償電路為“上下對稱”結(jié)構(gòu)，元器件的一致性要求與并聯(lián)對稱補(bǔ)償?shù)囊�求相同。在�?biāo)準(zhǔn)溫度TS時(shí)，工作電流流過上下分壓支路，使輸出電壓VO=E/2。溫度升高到工作溫度T時(shí)，工作電流雖然增加，但輸出電壓VO仍為E/2，不產(chǎn)生溫度漂移。而工作Z-元件當(dāng)有其它外部激勵(lì)作用時(shí)，可產(chǎn)生有效輸出。 
　　
　　
　　
　　該補(bǔ)償電路的缺點(diǎn)是靜態(tài)輸出電壓不為零，為使靜態(tài)輸出電壓為零，需附加電平位移電路。

[1]

[2]