【讨论】silicon bandgap temperature sensor 电路--计算温度的问题

电子达人

1. 我想要做一个temperature sensor 测量100C-150C,做heater control ，而且一定要diode based。做好了后打算把它integrate进 microcontroller。
2. 效果：准确的温度 （+-1C)
3. 我做了以下的实验：


电路图：

（注意，电路图说明我用的是variable constant current source）
以上是以1n4148 diode来测量温度的电路（因为silicon pn junction bandgap voltage 随着温度改变）。据Google资料，计算温度要用以下的equation:

q=e (elementary charge), k=boltzmann constant，vbe=voltage across diode junction, IC = current through the diode junction，T=temp in K
然后


4. 问题出在计算温度：

以下是我得到的data（在室温30C进行实验的结果，不是simulation):
IC1=129uA Vbe1=625mV
IC2=1250uA Vbe2=709mV
ΔVbe =625-709= -84mV
结果算到 T= 429K =156C !!  
然后用了不同的diode 和 transistor 发现到全部得到的温度都偏至少100K。。。
怎么会这样呢？是不是还要什么条件或 correction? internal resistance 影响也不会那么大吧？

5. 这个只是私人用途而已。。做实验累积经验。

pic

不明白为什么劝了还是不看版规， 也不尊重版规～
如果每个人都像楼主那样， 那么版规设来做什么？
然道要强制规定？ 不按版规发帖者， 一律删帖+ 扣分？
那有什么意思？这只不过是个交流的论坛。。然道不能自律吗？
设定版规是有理由的， 不希望有些人可以按版规发帖， 有些人不按版规发帖， 有双重的标准·～
如果劝导失败， 那么以后考虑强制吧。。

chan1314

用diode你需要calibrate 先。
ic 的temperature sensor 可以到 150. 看你用那一种。
不然可以用thermistor.

chtan36

老百姓也发表一下愚见。。

用diode来测温度，不错有前途，早在几年前我们电脑的中央处理器也是用diode来测量CPU温度，可是要如何测呢？

1） 从schematic看来你可能需要一个voltage control current source 或者是current mirror circuit 来达到固定电流。

2）你是否有注意到也个叫 thermal resistance 的东西，而这个东东又可分juntion thermal resistance， junction to case thermal resistance，case to air thermal resistance 和 你PCB track/plane 的 thermal resistance, 因为diode 的junction 并非直接暴露在空气中，而且当电流通过时junction 本身也会发热，在加上再很多不同的材料，不同的热分布，除非你能很肯定热能的分布是isotropic ， 不然你很难拿到稳定/准确的数据。

电子达人

回复 2#：

我真的深感抱歉，因为我以为那个版规里只是说明发问者必须提到的某些事项，不需要按照那边的“format”.......
对不起。。。对不起。。。我会重新编辑的。。。

电子达人

回复 3# chan1314

我知道，那种比较简单的要calibrate的diode sensor，只是用2.3mV/C ，根本没用到这个equation。。。之前做过一个，但是calibration 很不容易，要用温度计。。。
就是因为很多地方（internet）都有提到使用这个equation，不需要calibrate diode，才做实验尝试。。。有错请纠正。。。
回复 4# chtan36
1》我的电路图里面用的不就是constant current source 吗？
2》说得有道理，但是那个self heating也未免有那么大的效果吧。。。我的data都有说到，current 才不过1.25mA....不可能加热到100C 吧。。

chtan36

回复 6# 电子达人

小弟不才，想请问电子达人何为constant current source?
IC1=129uA
IC2=1250uA
上面的forward current 也是constant current source?

其实你用diode来做temperature sensor可以参考diode data sheet 里的 VF, If ,temperature graph (注意：不同的diode有不同的curve), 从那里你只需固定If, 你便能拿到 temperature 和 V f的关系。

第二。你想要测量100 degree c 至 150 degree C 的温度，你必须确保你的diode的operating temperature 达标。
第三，你要+/-1度的准确性，那么小弟想问问你以下问题。
1）你的操作环境是否有很多电磁杂讯？
2) 每个degree C 的变化会造成多少个ADC读数的变化？
3) ADC 的tolerrent 是否大于VF最小变化
4）元件的thermal noise + external 的 EM noise 是否小于1个degree C的电压变化。

以上只是小弟的一些愚见，请达人不要见笑。

电子达人

你不要叫我达人。。。我会害羞的。。我其实也不是很厉害到哪里去。。。。。（后悔放这个名。。。）

是的，我的确是用constant current source（用op-amp,能调整的那种）

1N4148 的 maximum junction temperature 是175C...所以达标...
这个formula，要有两个If(IC1,IC2)和Vf ，就能算到absolute 的温度（不是relative）。
但是，datasheet 没有提供相关的资料。。。还是我看走眼？

其实呢，我的问题只是出现在使用那个formula的时候，就只是不知道为什么它总是算到怪怪的答案，所以啊，你的第三个意见，白费了你打字的用心
你不用为我的ADC&noise操心。。。
不过，谢谢你的意见。。。

sunyat99

怎么看不到你的schematic?可以的话放上schematic吧。。。不过我猜想你应该是主要generate PTAT current...我想Ic1 /Ic2 相差那么大可能是因为你的current source 已经turn off 了。。。你的left/right branch diode difference 多少？ 由于我看不到你schematic...我就尽量设想阿。。。我想你的意思是用opamp来regulate Vbe1 跟 (vbe2+ R)吧？ 这是对的。。。不过这个opamp 本身不是constant biased...你如果要fully integrated...你就需要用bandgap circuit generate PTAT/CTAT current...然后用它来biased 你的opamp....

sunyat99

哦。。看到你的schematic..。。我刚看了这个1N4148。。它的threshold voltage是介于0。7。。。你的measurement是 below or at marginal threshold voltage...这个diode forward current model是有limitation的。。我建议你试下提高你的forward current。。。看看结果会不会好些。。。另外就是。。你这个diode应该是较大的threshold voltage...你的公式可能需要做出些调整。。kt/Nq .... N ~= 2

你不是device engineer。。也没有准确的diode model.....用这种方式。。是挺难的。。我也说了。。这个kt/Nq 。。那个N可以从1-3。。。得出的结果都会不同。。。所以你需要做些calibration。。不能直接用

你说integrate是指什么？是on die的吗？？那如果这样。。你就要考虑process mismatch 的问题。。

电子达人

sunyat99,谢谢你的回复！
其实我的电路很简单，current source很稳定，就只是差计算的问题而已。。。
你的 N coefficient 已经点到我真正的问题所在了！谢谢你！
我的‘integration'指的是电路方面（现在是manual 计算温度，过后我想把这工作交给microcontroller)。。。哈哈。。并没有做到on die 那么复杂

电子达人

啊，我又看到一个地方，那边写着那个‘diode' 是一个BJT connected as a diode，就是说把B －C接起来，当diode 用，而不是使用普通的signal diode/power diode!
我犯了一个很大的错误。。。。

sunyat99

回复 12# 电子达人


这不用紧。。用bjt跟diode都可以的。。不过问题就是你怎么做法。。你就需要manual set 两个biased point...很少人那么做滴。。。你可以参考如何产生PTAT current source...就是用两个branch diode 的方式。。。

电子达人

哇，终于成功了！
我用了BC109 ，C－B 接起来（shorted），当作sensing diode, 不用n 作correction ,在室温作实验（28C）得到的答案是35C 。。。。很准确了!
所以，结论是不能随便用diode来作thermal sensor。。。。

电子达人

以下是我得到的资料 （室温28C）：

	Voltage drop across BJT B-E junction with C-B shorted	constant current value
1.	543mV	54.7uA
2.	563mV	116.0uA

所以，根据那个formula,
T=(-0.020 x e)/(k x ln(54.7/116.0) )
=308.74K
=35.59C
这里的偏差是因为Vbe 的accuracy 所影响。可恨的就是multimeter 没有那种准确度。。（如果要准确，得到28C，要用19.5mV）。过后，打算用opamp 放大后再测量。。。
大功告成！

不错。很努力+上来报告结果。 加分奖励奖励