三、開關量輸出的溫度補償
開關量輸出電路示于圖10，(a)為電阻接地，(b)為Z-元件接地。開關量輸出的溫度補償與模擬量輸出的溫度補償相比，兩者的補償目的不同。后者是模擬信號，當溫度改變時，引起靜態工作點偏移，通過補償調整靜態工作點，使輸出電壓恢復穩定。前者是數字信號，數字信號的溫度穩定性及其補償技術是一個新問題。在研究開關量輸出補償原理與補償方法之前，必須先引入有效跳變與跳變誤差的新概念。
1．有效跳變與跳變誤差
溫、光、磁、力四種Z-元件均可相應構成溫控、光控、磁控、力控開關，提供開關量輸出，用于對物理參數的監控與報警。其中，除溫控開關外，對這些控制開關的基本要求是應具有溫度穩定性。也就是說，在光、磁或力等外部激勵作用下，并達到設定值時，應準確地產生輸出跳變，稱為有效跳變。而不應受環境溫度影響產生跳變誤差。由于開關量輸出是數字信號，其跳變誤差也必然是兩種極端的情況，為研究方便分別定義為超前跳變誤差和滯后跳變誤差。實際上，由于Z-元件的Vth值是溫度的函數，當環境溫度改變時，因受Vth變化的影響，超前與滯后兩種跳變誤差都有可能發生。
若環境溫度升高，使Vth下降，當滿足狀態轉換條件VZ3Vth時，外部激勵雖未達到設定值，可能產生“不該跳也跳”的超前跳變誤差；反之，若環境溫度降低，使Vth增加，這時外部激勵雖已達到設定值，但由于不能滿足狀態轉換條件VZ3Vth，則可能產生“該跳不跳”的滯后跳變誤差。
為克服這兩種跳變誤差，在電路設計時必須考慮溫度補償技術。因此，對光、磁、力敏Z-元件構成控制開關的設計原則是：在外部激勵作用下，必須能夠滿足狀態轉換條VZ≥Vth，而產生有效跳變；而當環境溫度變化時，則不應滿足轉換條件VZ≥Vth，不致產生跳變誤差。前者通過合理地選擇靜態工作點來達到，后者則應采用溫度補償技術加以保證。
2．溫度補償原理
上面已經分析過，因為Z-元件的Vth、Ith對溫度有一定的靈敏度，所以Z-元件的開關量(光、磁和力敏)輸出會產生超前跳變和滯后跳變誤差。
使用者在設計電路時，是依據有效激勵(光、磁和力等)的大小來確定靜態工作點QS，這時Z-元件兩端的電壓為VZS，并具有下述關系：
Vth -VZS=DV (1)
當T(℃)升高時，因Vth減小，DV就減小。當減小到DV=0時，即VZS =Vth時，就產生了超前跳變誤差；同理，當T(℃)下降時，因Vth增大，DV就增大，以至于大到有效激勵作用時，也不產生跳變，這就產生了滯后跳變誤差。當我們選定負載電阻RL值和電源電壓ES后，靜態工作點QS就確定了。因此，Z-元件開關電路設計的著眼點應在于DV 的取值。既要保證Z-元件在有效激勵時，能產生有效跳變；而通過溫度補償又能保證DV的初始設計值不隨溫度變化，即可消除超前跳變誤差和滯后跳變誤差。
3．溫度補償方法
(1)負載電阻的確定
圖11(a)是開關信號電路的工作解析圖，圖11(b)是開關信號的波形圖。開關量輸出的輸出低電平VOL不是直線，其變化規律以及跳變幅值與M1區特性和靜態工作點的設置有關，這是Z-元件開關量輸出的特有問題。為保證應用中有足夠大的跳變幅值，輸出低電平不致太高，必須合適的設置靜態工作點，因而當電源電壓一定時，合理的選擇負載電阻RL的值十分重要。
Z-元件在沒有輸出開關信號，即工作在M1區時，其功耗是很小的，只有工作 在M3區時，其功耗才增大。從圖11(b)可知，開關信號的低電平不是常數，因VOL=IZRL，當溫度升高時，IZ增大使VOL增大，而且負載電阻RL越大，低電平增大值也越大，因此，為了降低VOL，要求RL越小越好。由于受Z-元件功耗的限制，RL不能無限制的減小，為了Z-元件安全工作和降低電源的耗電，可選擇Z-元件的工作功耗為額定功耗的1/5，即PZ=0.2PM，PZ=0.2PM=IZVZ=IfVf。通過下述計算即可求出合適的負載電阻RL值：
按照產品標準的規定：
Vf≤Vth/3
取：VZ=Vf=Vth /3，
If=(E-Vf)/RL=(Vth-Vf+IthRL)/RL
因為IthRL很小，忽略不計，所以： ,
所以： （2）
(2)電源電壓ES的確定
由圖12可知
ES=VZS+IZSRL = Vth –DV+ IZSRL
因為IZSRL很小，只有0.1~0.2V，所以將其忽略不計，常溫下電源電壓ES為：
ES ≈Vth –DV
考慮到電源電壓調變時，可能存在誤差，初始設計的DV值不能過小，其最小值建議為(5~10°C) SP （SP為閾值點的溫度靈敏度）。所以：ES= Vth +(5~10°C) SP (3)
(3)同步改變電源電壓
從圖12我們知道，當溫度上升到T1時，閾值點P將左移至P1點，若通過補償能自動將電源電壓由ES調整到E1，使工作點從QS左移至Q1，并使(1)式成立，DV即可保持不變，此時Vth1 –VZ1 =DV；當溫度下降到T2時，P點將右移至P2點，若將電源電壓ES由ES自動調整到E2，并使(1)式成立，DV仍可保持不變，此時Vth2 –VZ2 =DV即可消除跳變誤差，達到補償。
在T1時，電源電壓為E1： E1= Vth1+(5~10℃) SP = Vth +(T1-T) SP+(5~10℃) SP
在T2時，電源電壓為E2：E2= Vth2+(5~10℃) SP = Vth +(T2-T) SP+(5~10℃) SP
在工作溫度范圍T2~T1間電源電壓的調變量為DE：
DE＝E2-E1=(T2-T1) SP （4）
從(4)式可以看出，該開關量輸出電路的電源，應該是具有負溫度系數的直流電源，該電源可選用圖6中的電源E，只需把Rt換成NTC電阻，或用圖7中電源EO。
四、脈沖頻率輸出的溫度補償
1．應用電路
Z-元件的脈沖頻率輸出有不同的電路組態，其應用組態之一如圖13所示。該電路當電源電壓E恒定時，在光、磁或力等外部激勵作用下，輸出端VO可輸出與外部激勵成比例的脈沖頻率信號，稱為有效輸出，波形為鋸齒波，如圖14所示。作為半導體敏感元件，由于環境溫度對有效輸出也具有一定靈敏度，這將嚴重影響有效輸出的檢測精度，當環境溫度變化較大或檢測精度要求較高時，必須通過溫度補償對溫漂加以抑制。
2．溫度補償原理
Z-元件的輸出頻率f與工作電壓E有關，與電路結構以及參數有關，也與使用環境溫度有關。當電路結構以及參數一定時(C=0.1mF，RL=15kW)輸出頻率f僅與工作電壓E和工作溫度T有關。為研究溫度補償原理，確定合適的補償方法，特列出三者的隱函數關系：f = F ( T , E )
如果把Z-元件構成的頻率輸出電路看成是一個線性系統或者可進行線性化處理時，可利用疊加原理對該隱函數求其偏微分：
當電源電壓改變DE，并恰好克服由溫度變化DT對輸出頻率的影響時，輸出頻率將保持不變，即Df = 0，則：
若設： 為溫度靈敏度, 為電壓靈敏度，
進而得：STDT= - SE DE
為進一步定量地確定電壓E和溫度T之間的補償關系，可定義溫度補償系數C為： [°C/V]
補償系數C的物理意義是，工作電壓E每改變1V時，能補償溫度變化多少度所引起的輸出頻率f 的溫漂。顯然，SE越大，或ST越小，使補償系數C越大，越便于進行溫度補償。其中，“負號”表示為實現溫度補償，電壓E的改變方向應與溫度變化的方向相反。補償系數C確定后，可按補償系數要求設計補償電路，實現溫度補償。 |
