第13卷第3期 大学物理实验 000年9月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE 文章编号:1007-2934(20003-0001-04 集成温度传感器AD590的电路原理 及其在测温和温控中的应用 游冠军胡益华陆申龙赵天相 (复旦大学,上海,200433 摘要:介绍AD590型温度传感器的内部电路结构,阐述其工作原理,举例说明它在温 度测量和恒温控制中的应用 关键词:集成温度传感器;温度测量;温度控制 中图分类号:TN43 文献标识码:A 引言 由于科学研究、工业和家用电器等方面对测温和温控的需要,各种新型的集成电路温 度传感器不断被研制出来,AD590便是其中之一。AD590可直接输出与热力学温度成比 例的电流信号,在输出端串联一个电阻则转换为电压信号。除此之外,AD590还具有测温 不需要参考点、抗干扰能力强、互换性好等优点。 2 图1内部电路图 图2简化电路图 2AD590的电路原理 AD590的内部电路图如图1所示,简化电路如图2所示。该传感器由多个晶体管和 收稿日期:2000·01-29 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
第 13 卷 第 3 期 大 学 物 理 实 验 Vol. 13 No. 3 2000 年 9 月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Sep. 2000 收稿日期 :2000 - 01 - 29 文章编号 :1007 - 2934(2000) 03 - 0001 - 04 集成温度传感器 AD590 的电路原理 及其在测温和温控中的应用 游冠军 胡益华 陆申龙 赵天相 (复旦大学 ,上海 ,200433) 摘 要 :介绍 AD590 型温度传感器的内部电路结构 ,阐述其工作原理 ,举例说明它在温 度测量和恒温控制中的应用 关键词 :集成温度传感器 ;温度测量 ;温度控制 中图分类号 :TN43 文献标识码 :A 1 引言 由于科学研究、工业和家用电器等方面对测温和温控的需要 ,各种新型的集成电路温 度传感器不断被研制出来 ,AD590 便是其中之一。AD590 可直接输出与热力学温度成比 例的电流信号 ,在输出端串联一个电阻则转换为电压信号。除此之外 ,AD590 还具有测温 不需要参考点、抗干扰能力强、互换性好等优点。 图 1 内部电路图 图 2 简化电路图 2 AD590 的电路原理 AD590 的内部电路图如图 1 所示 ,简化电路如图 2 所示。该传感器由多个晶体管和 — 1 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
电阻组成,其中晶体管制作在一个半导体单面基片上,因此它们的特性、损耗和发射极面 积能够相互匹配。整体分析图2,该电路可看作由两个镜象电流源构成。其中,晶体管 Q1和Q2组成上镜象电流源,Q3和Q4组成下镜象电流源。如果设上镜象电路的输出是 Q3的输入,则Q4的输入是上镜象电路的输出 设各晶体管为理想晶体管(即它们的电流放大系数β趋于无穷大),则知 la (1) 由于镜角电流源Q1和Q2的作用,la=la,ls=l=l。因 1 o=21g=2 le PN结理想伏安特性表达式为 I=Is(e 对晶体而言,上式中即为发射极电源L;l为集电极一发射极反向饱和电流;为 基极与发射极之间的电压v;Vr为温度的电压当量(即kT/q),q为电子电荷,K为玻尔 兹曼常数,T为热力学温度。 当温度在-55℃-155℃之间时,V近似在0.04~0.05之间。这一般的硅管,I 约为十分之几伏,故eM>1。因此,(3)式可改写为1≈ker,即 ≈r1n(/I) 所以,a≈vrln(l3/ls),m≈v1n(l/l) 由图2知 Vh3+ Ir 所以 vr=le R VrI n(( Ie/ Is)/(le/ Is)) VrIn(Is/Is) 由于l正比于各晶体管发射极的面积S,所以(6)式可改写为 VR=V, n(S3/ S4) S、S4分别为晶体管Q3、Q4发射极的面积。若S3=NS4,则VR=V1n(N),即l5R =rln(N),l=(Vn/R)1n(N)。因此 (2n/R)1n(N) (2 KT/ Rq)I n(N) 所以 lo/T=(2 K Rq)In(N) (9) 由上式知,当电阻R的阻值给定时,/r为一恒定值。适当选取R值,理论上可使 l/T为1.00uA/K(K为热力学温度单位)。 由上面的分析知,AD590的输出电流b与它所处的热力学温度T成线性关系,因此 实现了温度至电流强度的线性转换。 与图2相比,图1虚线框内增加了一些电路。它们用以改善镜象电流源Q1和Q2 使之工作时更接近理想电流源(高阻抗),从而减弱输入电压变化的影响。经测试,当 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
电阻组成 ,其中晶体管制作在一个半导体单面基片上 ,因此它们的特性、损耗和发射极面 积能够相互匹配。整体分析图 2 ,该电路可看作由两个镜象电流源构成。其中 ,晶体管 Q1 和 Q2 组成上镜象电流源 , Q3 和 Q4 组成下镜象电流源。如果设上镜象电路的输出是 Q3 的输入 ,则 Q4 的输入是上镜象电路的输出。 设各晶体管为理想晶体管(即它们的电流放大系数β趋于无穷大) ,则知 I0 = IC3 + IC4 (1) 由于镜角电流源 Q1 和 Q2 的作用 , IC3 = IC4 , Ie3 = Ie4 = IC3 。因此 I0 = 2 IC3 = 2 Ie3 (2) PN 结理想伏安特性表达式为 I = IS ( e V/ V T - 1) = IS ( e qV/ KT - 1) (3) 对晶体而言 ,上式中 I 即为发射极电源 Ie ; IS 为集电极 —发射极反向饱和电流 ; V 为 基极与发射极之间的电压 Vbe ;VT 为温度的电压当量 (即 KTΠq) , q 为电子电荷 , K 为玻尔 兹曼常数 , T 为热力学温度。 当温度在 - 55 ℃～155 ℃之间时 ,VT 近似在 0104V～0. 05V 之间。这一般的硅管 ,Vbe 约为十分之几伏 ,故 e Vbe/ V T µ 1。因此 ,(3) 式可改写为 Ie≈ IS e Vbe/ V T ,即 Vbe≈VT 1 n ( Ie / IS ) (4) 所以 ,Vbe3≈VT 1 n ( Ie3 / IS3 ) ,Vbe4≈VT 1 n ( Ie4 / IS4 ) 。 由图 2 知 Vbe4 = Vbe3 + IeR (5) 所以 VR = Ie3 R = Vbe4 Vbe3 = VT 1 n〔( Ie4 / IS4 ) / ( Ie3 / IS3 ) 〕 = VT 1 n ( IS3 / IS4 ) (6) 由于 IS 正比于各晶体管发射极的面积 S ,所以(6) 式可改写为 VR = VT1 n ( S3 / S4 ) (7) S3 、S4 分别为晶体管 Q3、Q4 发射极的面积。若 S3 = NS4 ,则 VR = VT 1 n ( N) ,即 Ie3 R = VT 1 n ( N) , Ie3 = ( VT / R) 1 n ( N) 。因此 I0 = 2 Ie3 = (2VT / R) 1 n ( N) = (2 KT/ Rq) 1 n ( N) (8) 所以 I0 / T = (2 K/ Rq) 1n ( N) (9) 由上式知 ,当电阻 R 的阻值给定时 , I0 / T 为一恒定值。适当选取 R 值 ,理论上可使 I0ΠT 为 110000μAΠK( K为热力学温度单位) 。 由上面的分析知 ,AD590 的输出电流 I0 与它所处的热力学温度 T 成线性关系 ,因此 实现了温度至电流强度的线性转换。 与图 2 相比 ,图 1 虚线框内增加了一些电路。它们用以改善镜象电流源 Q1 和 Q2 , 使之工作时更接近理想电流源 (高阻抗) ,从而减弱输入电压变化的影响。经测试 ,当 — 2 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
AD590两端的电压在+4V和+30V之间时,即使电压有变化,输出的电流信号也没有影 响或影响很小。所以AD590具有消除电源波动的特性。 90电流温度特性性测量 测量电路如图3所示,V为PZ4型四位半直流数字电压表,R =10009,保持电源电压稳定,分别使AD590处于一系列不同的温 度点T,通过测量得出相应的输出电流l。对所得的数据点用 最小二乘法进行拟合,可得经验公式 I=aT+ y 4AD590在温度测量中的应用 图3测量电路 在-50~150℃温度范围内,AD590的输出电流与温度呈线性 关系,与常用的水银温度计、热电偶温度计相比,它还具有灵敏度高、消除电源波动性的特 点,因此可广泛应用于各种精确度较高的温度测量。 (1)最基本的数字式摄氏温度计 温度计电路图如图4所示。该电路采用非平衡电桥法。将 AD90放入冰点槽中,R2和R3各取1009,调节R使电压表示值③ 为零,此时R2和R上所分得的电压皆为273.2mV,电路转换系数 为1mV/℃。因此电压表上读得的mV数即代表AD590检测到的摄 氏温度 由于AD590的转换灵敏度不是严格的1.000A/℃,一般有千 分之零点几(6‰的差异因此应调整R使之改变(6%,以补偿L 灵敏度引起的误差。 (2)数字式平均摄氏温度计 图4温度计电路 如果要测量n个温度点的平均温度,只需把图4中的AD590替换为n个并联的 AD590,R2、R3的阻值相应地调整为(1000/n)9。电路调节方法与(1)相同。 (3)数字式温差计 电路如图5所示,。AD741为电流电压转换 器。当两个AD590处于相同温度时,h1=12,A端 输出电流l3为零,B端输出电压也为零;当两个 传感器存在温差△T时,1=l1-12(设1>l2) AD741 B端输出相应的电压U,由数字电压表显示。当+12 △T在0~6℃范围内时,U正比与h,正比于-F25902R △T,因此U与△T呈线性关系。R1和R2用来调 整AD741的输出,可确保两传感器等温时输出电 压为0。R3用以调节AD741的放大倍数。当各 图5数字式温差计电路 电阻取图时所标示阻值时,B端输出为10mV/℃ 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
AD590 两端的电压在 + 4V 和 + 30V 之间时 ,即使电压有变化 ,输出的电流信号也没有影 响或影响很小。所以 AD590 具有消除电源波动的特性。 图 3 测量电路 3 AD590 电流温度特性性测量 测量电路如图 3 所示 ,V 为 PZ114 型四位半直流数字电压表 , R = 1000Ω,保持电源电压稳定 ,分别使 AD590 处于一系列不同的温 度点 Ti ,通过测量 V 得出相应的输出电流 Ii 。对所得的数据点用 最小二乘法进行拟合 ,可得经验公式 I =αT +γ (10) 4 AD590 在温度测量中的应用 在 - 50～150 ℃温度范围内 ,AD590 的输出电流与温度呈线性 关系 ,与常用的水银温度计、热电偶温度计相比 ,它还具有灵敏度高、消除电源波动性的特 点 ,因此可广泛应用于各种精确度较高的温度测量。 (1) 最基本的数字式摄氏温度计 图 4 温度计电路 温度计电路图如图 4 所示。该电路采用非平衡电桥法。将 AD590 放入冰点槽中 , R2 和 R3 各取 1000Ω,调节 R4 使电压表示值 为零 ,此时 R2 和 R3 上所分得的电压皆为 27312mV ,电路转换系数 为 1mVΠ℃。因此电压表上读得的 mV 数即代表 AD590 检测到的摄 氏温度。 由于 AD590 的转换灵敏度不是严格的 110000μAΠ℃,一般有千 分之零点几 (δ‰) 的差异 ,因此应调整 R2 使之改变 (δ‰) ,以补偿 灵敏度引起的误差。 (2) 数字式平均摄氏温度计 如果要测量 n 个温度点的平均温度 ,只需把图 4 中的 AD590 替换为 n 个并联的 AD590 ,R2 、R3 的阻值相应地调整为(1000Πn)Ω。电路调节方法与(1) 相同。 (3) 数字式温差计 图 5 数字式温差计电路 电路如图 5 所示 ,。AD741 为电流电压转换 器。当两个 AD590 处于相同温度时 , I1 = I2 ,A 端 输出电流 I3 为零 , B 端输出电压也为零 ;当两个 传感器存在温差 ΔT 时 , I3 = I1 - I2 (设 I1 > I2 ) , B 端输出相应的电压 U ,由数字电压表显示。当 ΔT 在 0～6 ℃范围内时 , U 正比与 I3 , I3 正比于 ΔT ,因此 U 与ΔT 呈线性关系。R1 和 R2 用来调 整 AD741 的输出 ,可确保两传感器等温时输出电 压为 0。R3 用以调节 AD741 的放大倍数。当各 电阻取图时所标示阻值时 ,B 端输出为 10mVΠ℃。 — 3 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
5AD590在恒温控制中的应用 AD590不但实现了温度的电量测量,而且灵 敏度高、反应时间短,因此可作为恒温控制电路的信号检测器。与目前大量使用的接点式 水银温度计相比,它具有控温精度(温控在某点时的温度最大波动范围)高、体积小、无污 染、使用方便等优点。 恒温控制电路如图6所示。LF56为电流电压转换器,IM311为电压比较器,Rm、 Rn、Rn、Rm和2DwC此部分电路用以设置该控温电路的温度预定值T6。AD590输出 的电流经LF56后转换为一负电压(相对于接地点)输出V。比较器LM11对V和b 进行比较,如果V>,则输出一恒定的正电压,三极管3DKB导通,固体继电路J1 接通。由于有电流通过,交流接触器J2的常开触点闭合,电热丝通电加热 AD590的温度T升高,la增大。当T>T0时,V ,电热丝再次通过电加热,从而达到恒温控制的目的 卫体戀电器 非 227流电 r2(交距触器) 图6恒温控制电 1.AD5∞0传感器2.搅拌器3.二等标准水银温度计4.电热丝(外用玻璃管保护 5.2000m玻璃杯 结束语 D590温度传感器不但实现了温度转换为线性化电量测量,而且精确度高、互换性 (下转11页) 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
5 AD590 在恒温控制中的应用 AD590 不但实现了温度的电量测量 ,而且灵 敏度高、反应时间短 ,因此可作为恒温控制电路的信号检测器。与目前大量使用的接点式 水银温度计相比 ,它具有控温精度(温控在某点时的温度最大波动范围) 高、体积小、无污 染、使用方便等优点。 恒温控制电路如图 6 所示。LF356 为电流电压转换器 ,LM311 为电压比较器 , RW1 、 RW2 、RW3 、RW4和 2DW7C 此部分电路用以设置该控温电路的温度预定值 T0 。AD590 输出 的电流经 LF356 后转换为一负电压 (相对于接地点) 输出 Va 。比较器 LM311 对 Va 和 Vb 进行比较 ,如果 Va > Vb ,则输出一恒定的正电压 V0 ,三极管 3DK4B 导通 ,固体继电路 J1 接通。由于有电流通过 ,交流接触器 J2 的常开触点闭合 ,电热丝通电加热。 AD590 的温度 T升高 ,| Va | 增大。当 T > T0 时 ,Va Vb ,电热丝再次通过电加热 ,从而达到恒温控制的目的。 图 6 恒温控制电路 11AD590 传感器 21 搅拌器 31 二等标准水银温度计 41 电热丝(外用玻璃管保护) 512000ml 玻璃杯 61 结束语 AD590 温度传感器不但实现了温度转换为线性化电量测量 ,而且精确度高、互换性 (下转 11 页) — 4 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
积,也证实了方法一中用EXHC5.0求解结果的正确性。 在热交换实验中有热损耗存在,且与容器的尺寸结构有关,在量热器的容积一定时 容器的高度为一特定值时可使量热器的热损耗为最小。 参考文献 自)马葭生,陈国英,江一德.大学物理选题实验50例.上海华东师范大学出版社,1999 〕李正平,王广泰,李冬梅.新编大学物理实验,北京:中国石化出版社,1999 RESEARCH ON THE CONSUMPTION OF THE CALORIMETER IN THE HEAT MEASURING EXPERIMENT Z Yan ( Beijing Institute of Light Industry, Beijing, 100037) Abstract: An analysis on the size and structure of the calonimeter in the experiment of heat exchange is condt presented that the minimun heat consumption of the calorimeter in the experiment is related to the size design but ot Key words calorimeter; heat comsumption; size (上接4页) 好、应用简单方便,因此,可把输出的电信号经AD卡转换为数字信号,由计算机采集V t的数据,以发挥其实时和准确的特点。把AD590用于改进一部分物理实验,如空气比 热容比的测量、金属比热容的测量及液氮汽化热的测量等,都取得了良好的效果。 总之,与水银温度计、铜-康热电偶温度计及半导体热敏电阻温度计相比,AD590具 有线性好、测温不需参考点及消除电源波动等优点,因此在常温范围内可以取代它们,广 泛的应用于科技和工业领域中。 参考文献 自)康华光,电子技术基础(模拟部分).高等教育出版社,1988 〕周成钢等.AD590集成电路温度传感器特性测量与应用.大学物理实验,1998 THE CIRCUITRY OF AD590 IC TEMPERATURE SENSOR AND THE APPLICATION IN TEMPERATURE MEASUREMENT AND CONTROL You Guanjun Hu Yihua Liu Shenlong Zhao lianxiang Fudan University, Shanghai 200433) Abstract: The inner circuitry and the principle of AD590 temperature sensor are intoduced. Its application in tempera ture measurement and control is explained by exampl Key words temperature sensor of integrate circuit; temperature measurement; temperature control 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
积 ,也证实了方法一中用 EXECL510 求解结果的正确性。 在热交换实验中有热损耗存在 ,且与容器的尺寸结构有关 ,在量热器的容积一定时 , 容器的高度为一特定值时可使量热器的热损耗为最小。 参 考 文 献 〔1〕 马葭生 ,陈国英 ,江一德 1 大学物理选题实验 50 例 1 上海 :华东师范大学出版社 ,1999 〔2〕 李正平 ,王广泰 ,李冬梅 1 新编大学物理实验 1 北京 :中国石化出版社 ,1999 RESEARCH ON THE CONSUMPTION OF THE CALORIMETER IN THE HEAT MEASURING EXPERIMENT Zi Yan (Beijing Institute of Light Industry ,Beijing ,100037) Abstract :An analysis on the size and structure of the calorimeter in the experiment of heat exchange is conducted. It is presented that the minimun heat consumption of the calorimeter in the experiment is related to the size design but not to the other experiment values. Key words:calorimeter ;heat comsumption ;size (上接 4 页) 好、应用简单方便 ,因此 ,可把输出的电信号经 AΠD 卡转换为数字信号 ,由计算机采集 Vi - t 的数据 ,以发挥其实时和准确的特点。把 AD590 用于改进一部分物理实验 ,如空气比 热容比的测量、金属比热容的测量及液氮汽化热的测量等 ,都取得了良好的效果。 总之 ,与水银温度计、铜 - 康热电偶温度计及半导体热敏电阻温度计相比 ,AD590 具 有线性好、测温不需参考点及消除电源波动等优点 ,因此在常温范围内可以取代它们 ,广 泛的应用于科技和工业领域中。 参 考 文 献 〔1〕 康华光 1 电子技术基础(模拟部分) 1 高等教育出版社 ,1988 〔2〕 周成钢等 1AD590 集成电路温度传感器特性测量与应用 1 大学物理实验 ,1998 THE CIRCUITRY OF AD590 IC TEMPERATURE SENSOR AND THE APPLICATION IN TEMPERATURE MEASUREMENT AND CONTROL You Guanjun Hu Yihua Liu Shenlong Zhao Tianxiang (Fudan University ,Shanghai ,200433) Abstract :The inner circuitry and the principle of AD590 temperature sensor are introduced. Its application in tempera2 ture measurement and control is explained by examples. Key words:temperature sensor of integrate circuit ;temperature measurement ;temperature control — 11 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved