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Z元件的溫度補償技術
摘要：本文詳細地介紹了光敏Z-元件、磁敏Z-元件以及力敏Z-元件的溫度補償原理與補償方法，供用戶利用光、磁、力敏Z-元件進行應用開發時參考。關鍵詞：Z-元件、敏感元件、溫度補償、光敏、磁敏、力敏
一、前言
半導體敏感元件對溫度都有一定的靈敏度。抑制溫度漂移是半導體敏感元件的常見問題，Z-元件也不例外。本文在前述文章的基礎上，詳細介紹Z-元件的溫度補償原理與溫度補償方法，供光、磁、力敏Z-元件應用開發參考。
不同品種的Z-元件均能以簡單的電路，分別對溫、光、磁、力等外部激勵作用輸出模擬、開關或脈沖頻率信號[1][2][3]，其中后兩種為數字信號，可構成三端數字傳感器。這種三端數字傳感器不需放大和A/D轉換就可與計算機直接通訊，直接用于多種物理參數的監控、報警、檢測和計量，在數字信息時代具有廣泛的應用前景，這是Z-元件的技術優勢。但由于Z-元件是半導體敏感元件，對環境溫度影響必然也有一定的靈敏度，這將在有效輸出中因產生溫度漂移而嚴重影響檢測精度。因而，在高精度檢測計量中，除在生產工藝上、電路參數設計上應盡可能降低光、磁、力敏Z-元件的溫度靈敏度外，還必須研究Z-元件所特有的溫度補償技術。
Z-元件的工作原理本身很便于進行溫度補償，補償方法也很多。同一品種的Z-元件，因應用電路組態不同，其補償原理與補償方法也不同，特就模擬、開關和脈沖頻率三種不同的輸出組態分別敘述如下。
二、模擬量輸出的溫度補償 對Z-元件的模擬量輸出，溫度補償的目的是克服溫度變化的干擾，調整靜態工作點，使輸出電壓穩定。
1．應用電路
Z-元件的模擬量輸出有正向(M1區)應用和反向應用兩種方式，應用電路如圖1所示，其中圖1(a)為正向應用，圖1(b)為反向應用，圖2為溫度補償原理解析圖。
2．溫度補償原理和補償方法
在圖2中，溫度補償時應以標準溫度20℃為溫度補償的工作基準，其中令：
TS：標準溫度
T：工作溫度
QS：標準溫度時的靜態工作點
Q：工作溫度時的靜態工作點
QS￠：溫度補償后的靜態工作點
VOS：標準溫度時的輸出電壓
VO：工作溫度時的輸出電壓
在標準溫度TS時，由電源電壓E、負載電阻RL決定的負載線與TS時的M1區伏安特性（或反向特性）相交，確定靜態工作點QS，輸出電壓為VOS。當環境溫度從TS升高到T時，靜態工作點QS沿負載線移動到Q，相應使輸出電壓由VOS增加到VO，且VO＝VOS＋DVO，產生輸出漂移DVO，。若采用補償措施在環境溫度T時使工作點由Q移動到QS￠，使輸出電壓恢復為VO，則可抑制輸出漂移，使DVO＝0，達到全補償。
(1)利用NTC熱敏電阻
基于溫度補償原理，在圖1(a)、(b)中，利用NTC熱敏電阻Rt取代負載電阻RL，如圖3(a)、(b)所示，溫度補償過程解析如圖2所示。
在圖3電路中，標準溫度TS時負載電阻為Rt，當溫度升高到工作溫度T時，使其阻值為Rt￠，可使靜態工作點由Q推移到QS￠，由于Rt.<Rt￠，故應選NTC熱敏電阻。當溫度漂移量DVO已知時，只要確定標準溫度時的Rt值及合適的溫度系數(即B)值，使得在工作溫度時的阻值為Rt￠，即可達到全補償。
(2)改變電源電壓
基于溫度補償原理，補償電路如圖4(a)、(b)所示，圖5為補償過程解析圖，其中負載電阻RL值不變，當溫度由TS升到T時，產生輸出漂移DVO，為使DVO=0，可使ES相應增大到ES￠，若電源電壓的調整量為DE，且DE= ES￠-ES，要滿足DE=-KDVO的補償條件，可達到全補償。其中，K為比例系數，“負號”表示電壓的改變方向應與輸出漂移方向相反，比例系數K與負載線斜率有關，可通過計算或實驗求取，且：
為了得到滿足補償條件的按溫度調變的電源電壓，實際補償時可采用緩變型 PTC熱敏電阻、NTC熱敏電阻或溫敏Z-元件來改變電源電壓E，達到補償的目的：
①采用緩變型PTC熱敏電阻
采用緩變型PTC熱敏電阻的補償電路如圖6所示。
在圖6中，Z-元件與負載電阻RL構成工作電路，工作電路的直流電源電壓E由集成穩壓電源LM317電路供電，Rt為緩變型熱敏電阻，采用熱敏電阻Rt的LM317電路的輸出電壓為：
按溫度補償要求，當溫度增加時，電源電壓E應該增加，Rt應該增加，故Rt應選緩變型PTC熱敏電阻。R2用于設定電壓E的初始值，合理選擇PTC熱敏電阻Rt的初始值及其溫度系數，使之滿足DE=-KDVO的補償條件即可達到補償的目的。
②采用NTC熱敏電阻
因緩變型PTC熱敏電阻市售較少，而且補償過程中溫度系數也難于匹配，多數情況應采用NTC熱敏電阻。
若采用NTC熱敏電阻進行補償時，也可采用圖6所示電路，但要把R1與Rt互換位置。
當采用NTC型熱敏電阻時，為了便于熱敏電阻的補償匹配，可利用運算放大器，實際補償電路如圖7所示。
在圖7中，Rt為NTC熱敏電阻，A為由單電源VCC供電的反相輸入運放構成的比例放大器，通過該運放的反相作用，使LM317的輸出電壓EO適合工作Z-元件工作電壓E的補償極性要求。例如，溫度升高時，EO下降，E增加；反之溫度降低時，EO增加，E減少。該補償電路的另一優點是，可通過運放比例系數的附加調整便于NTC熱敏的補償匹配。
(3)差動補償
①并聯差動補償
運放的第一級幾乎沒有例外均采用差動電路，并利用差動電路的對稱性和元器件特性的一致性來補償溫度漂移。Z-元件也可采用這種方法，補償電路如圖8所示。其中，圖8(a)為正向應用，圖8(b)為反向應用，圖8(c)為實際補償電路。其中Z為工作Z-元件，ZC為補償Z-元件，RL與RC為相應的負載電阻。
補償原理：對差動對稱電路，當左右兩側工作Z-元件Z與補償Z-元件ZC的靜態伏安特性與動態溫度系數完全一致，以及電阻RC與R阻值及其溫度系數也完全一致時，采用浮動輸出，因始終保持VO=VOC，當環境溫度改變時，也不會產生溫漂，而工作Z-元件有其它外部激勵作用(如光、磁、力等)時，則可產生有效輸出。
理論上，若左右元器件完全對稱，在標準溫度TS時，浮動輸出DVO=VO-VOC=0，當溫度升高到工作溫度T時，因左右兩支路電流同步增加，DVO=VO-VOC=0仍然成立。實際上，左右兩支路元器件不可能完全對稱，特別是Z-元件有一定的離散性，使DVO不可能完全為0。因而，除按補償精度要求，對Z-元件的一致性進行嚴格篩選外，在電路上應采用輔助調整措施，如圖8(c)中利用電位器RW。
②串聯差動補償
并聯對稱補償的缺點是浮動輸出，為變成單端輸出還需要一個雙端輸入到單端輸出的轉換電路。采用串聯對稱補償可克服這一缺點。
串聯對稱補償的原理電路如圖9所示。其中圖9 (a)為正向應用，圖9 (b)為反向應用，圖9 (c)和(d)為實用化補償電路。
補償原理：該補償電路為“上下對稱”結構，元器件的一致性要求與并聯對稱補償的要求相同。在標準溫度TS時，工作電流流過上下分壓支路，使輸出電壓VO=E/2。溫度升高到工作溫度T時，工作電流雖然增加，但輸出電壓VO仍為E/2，不產生溫度漂移。而工作Z-元件當有其它外部激勵作用時，可產生有效輸出。
該補償電路的缺點是靜態輸出電壓不為零，為使靜態輸出電壓為零，需附加電平位移電路。
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：
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。
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