如何利用PN阶来测量温度？

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简 介： 根据PN结的电流电压方程，可以看到它与PN温度有关，基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。选择NPN，PNP三极管（2N3906,2N3904）所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction^[1] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。

关键词： PN结，二极管

 01 理论基础  

1.1 相关芯片

  在  LINEAR TECHNOLOGY^[2]  技术文档Accurate Temperature Sensing with a External P-N Junction^[6]  给出了 利用外置的PN结测量温度的方案。这类方案中应用到  LTC2974^[3] 、 LTC3880^[4] 、 LTC3883^[5] 这类开关电源中的温度管理中。

  这篇文档提到应用PNP型三极管 2N3906^[6] 的 b-e PN 结温度特性来测量外部温度。这个三极管在  三极管的耐压与hFE之间是什么关系？^[7] 被测量过，说明我手头是存在这款三极管的。在 博文 利用二极管的P-N结的I-V特性测量Boltzmann常数^[8] 利用了 对应的 NPN型（ 2N2904^[9] ）测量了Boltzmann常数，精度在1.4%之内。这也间接证明了利用三极管中的PN结测量温度的实验基础。

1.1.1 提出问题

  上面的资料给我们提出了以下问题：

• 为什么需要借助于三极管中的PN结来测量温度，而不是简单的使用普通的二极管的PN结？
• 对于PNP，NPN型三极管，究竟哪一种PN结测量温度比较高？

（1）为什么使用三极管?

  通常下，直接使用二极管测量V-A特性，会发现它与PN前向偏置电流方程有差别：

  下面是在  Forward and Reverse Bias of a PN Junction (Explained) 给出的普通二极管V-A特性曲线。

 

  在  PN Junction Theory for Semiconductor Diodes^[10] 中给出了二极管的 I-V 特性曲线：

 

  在  Measurement  of Boltzmanns constant^[11] 作者D.E Evans展示了使用普通的设备在  TIP29^[12] 功率 PNP三极管的 b-e 结上测量 e/k 常数的实验。其中提到，在满足       V的时候，对于普通的PN结中的 多数载流子和表面电流的影响都被基极电流抵消了，因此集电极电流       正好反映了 PN 结电流的内容。

 

  在  Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction^[6] 的中间，CHOICE of PN Junction Device一节中也给出了为什么选择 PNP，NPN三极管来测量PN温度的说明：

• 一些二极管的前向导通电压与温度之间并没有特别大的关系，主要可能是来自于反向Is电流与温度也有关系，这就为什么普通的二极管的电压特性与温度之间是反向的关系，而不是像前面公式中所选择的那样；
• 三极管中的PN结具有很大的理想因子         ，这对于提高测量精度有利。

 

（2）NPN 与 PNP

  至于使用NPN还是PNP来测量温度，在所能够看到的文献中并没有进行对比。

  不过在Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction^[6] 对于2N3906（PNP），2N3904（NPN）都表示可以的。

1.2 相关公式

1.2.1 PN结电流方程

•       ：前向电流
•       ：反向饱和电流
•       ：B-E 前向电压
•       ：温度电压
•       ：理想因子
•       ：玻尔兹曼常数

  在   的时候，上述公式中的       可以省略：

  则对应的温度：

  如果使用差分电流，也就是分别测量在     两个电流下的对应     ，那么可以获得：

  特别是两个电流呈现比例关系：     ，则：

  在最终的温度计算公式中，二极管的反向饱和电流     被消去，就只剩下一个二极管理想因子     。

 02 电路设计  

2.1 电路布线

 

 

 ※ 总  结 ※  

  根据PN结的电流电压方程，可以看到它与PN温度有关，基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。选择NPN，PNN三极管（2N3906,2N3904）所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction^[6] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。

参考资料