二极管作为传感器的温度测量的前端电路设计

  1. 引言
  通常传感器的输出很少能够直接满足ADC输入电压的需要。如果ADC的输入范围不能充分利用，将损失测量精度。使用运放对信号实施幅度变化与电平移动，可以满足ADC的需求。一般情况，传感器与ADC之间的电路设计过程如下：
  (1)确定传感器输出的电压范围，就是运放电路的输入电压范围。
  (2)确定ADC输入电压范围，就是运放输出电压范围。
  (3)由运放的输出范围和输入范围确定运放增益。
  (4)确认传感器的输出阻抗，并由此确定运放的输入阻抗、电路型式以及输入偏置电流的影响。
  (5)确认ADC的输入阻抗，并由此确定运放的输出阻抗。
  (6)参考运放的各项技术指标，特别是失调与漂移指标，以及噪声、电源电流，频率相应等。
  (7)选择电路结构后，求解电路中的电阻数值。
  (8)安装电路，并调试。
 
  2. 二极管作为温度传感器
  二极管的泄漏电流Is与结温Tj有关，近似增加+7.2%℃，或者就是说，当温度增加10℃时，Is近似增加一倍。二极管的电流与Is有关，因此当温度增加时，Is也增加。若是保持Is不变，则二极管电压降随温度升高而减少，对于硅二极管，其正向电压的温度系数为-2mV/℃，实际中，常用二极管的温度特性测量温度。
 
  3. 单电源运放选择
  该设计中采用单电源供电，因此选择TI公司TLV247x系列运放中的4运放组合芯TLV2474。该芯片采用CMOS结构，满摆幅输入与输出。电源电压范围2.7V~6V，芯片的引脚排列如图1所示。

  该芯片在T_A=25℃,V_DD=5V时参数如下：
  输入失调电压V_IO为±250μV
  失调温漂△ V_OS/△_TA±0.4μV/℃
  输入失调电流I_IO为±1.7pA
  输入偏置电流I_B为2.5pA
  输出电流I_os，±35mA
  大信号差模电压增益A_VD=120dB
  差模输入电阻rid为10¹²Ω
  最大输出电压摆幅(5V，I_O=±2.5mA)，V_OL为0.07V，V_OH为4.96V
  共模抑制比CMRR为84dB
  电源电压抑制比为90dB
  最大电源电流(每个运放)600μA
 
  4. 实际电路设计
  图2所示的是二极管作为温度传感器测量温度的电路。
  (1)电流源电路
  二极管在25℃时，电压降为650mV，温度每增加1℃ ，二极管压降变化-2mV/℃。现在要求测量温度范围为-25℃~100℃ ，则二极管在100℃时，输出650-150=500mV，在-25℃时，输出650+100=750mV。
  图2中用运放(TLV2474-3)组成的电流源向二极管供电，采用TL431稳压器件提供参考电压，该电流源向二极管提供1mA的电流。  
  (2)ADC输入与运放输出之间的关系
  选择12位,ADC，模拟信号输入范围为0~5V，因此需要运放输出范围为0~5V，输入信号V_IN1=500mV，V_IN2为750mV。输入V_IN1=500mV对应0V，输入V_IN2=750mV对应5V。对于ADC来说，高温时，输出数字最小,低温时输出数字最大。
  (3)估算运放输出摆幅
  选择TLV2474运放，在5V电源时，其共模输入电压为-0.2V~5.2V,因此可以满500mV~750mV的输入信号要求。该运放在2kΩ负载时的高电平输出，正常为4.96V，最小为4.85V；该运放在2kΩ负载时的低电平输出，正常为70mV，最大为150mV；为可靠放大，选择摆幅高电平最小值、低电平最大值，则运放输出电压范围为150mV~4.85V之间。
  ADC为12位，因此每个数字为1.22mV，由于运放输出损失300mV,所以ADC输出的4095bit中损失了246bit。
  (4)估算运放增益与阻抗
  运放增益近似为5V/0.25V=20。运放输入失调电压为2.2mV，则对于20倍增益，相当于输出误差为44mV，为36bit的ADC转换误差。
  二极管等效电阻re=26/IB，取二极管工作电流IB为1mA，则二极管等效电阻为26Ω。由于TLV2474运放输入阻抗为10¹²Ω，因此二极管电阻的影响可以忽略。
  ADC采样时的输入电阻为20KΩ，TLV2474运放在闭环10倍放大倍数时的输出电阻为2Ω，因此产生的误差也可以忽略。
  (5)运放参考电压电路
  并用运放(TLV2474-1)电压跟随的方式输出，由于具有小的输出电阻，因此做运放增益估算时，可以不考虑参考电压源的内阻。
  (6)计算电路参数
  从电路可知，运放(TLV2474-2)的输入信号与需要的输出信号有如下关系：
  对于500mV的输入，应该输出0V，有0=0.5m+b.
  对于750mV的输入，应该输出5V，有5=0.75m+b.
  因此可以得到m=-2b，得到-m/2=5-0.75m，可解出m=20,b=10。
  最后得到该运放的输出方程为   对于图2所示电路，其输出电压表达式为   对比上两式，有(R_F+R_G)/R_G=20。
  取R_G为,24.9kΩ，则R_F=473.1kΩ，取0.9R_F≈430kΩ为固定电阻R_fa,取0.1×2×R_F=94kΩ为电位器(实际取值为100kΩ)。
  由于V_REF×(R_F/R_G)=10V，所以V_REF≈0.53V，实际电路采用电位器(POT)分压获得该参考电压。
 
  5. 结论
  本文讨论了二极管温度特性、ADC与运放技术指标，设计了实际的ADC前端测温电路，设计内容为电流源电路、参考电压电路与放大器电路，给出了详细电路参数。论文给出的温度传感器的ADC前端电路设计方法，可为类似设计提供参考
 
 
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