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Z元件的温度补偿技术


h增加,这时外部激励虽已达到设定值,但由于不能满足状态转换条件VZ3Vth,则可能产生“该跳不跳”的滞后跳变误差。

为克服这两种跳变误差,在电路设计时必须考虑温度补偿技术。因此,对光、磁、力敏Z-元件构成控制开关的设计原则是:在外部激励作用下,必须能够满足状态转换条VZ≥Vth,而产生有效跳变;而当环境温度变化时,则不应满足转换条件VZ≥Vth,不致产生跳变误差。前者通过合理地选择静态工作点来达到,后者则应采用温度补偿技术加以保证。

2.温度补偿原理

上面已经分析过,因为Z-元件的Vth、Ith对温度有一定的灵敏度,所以Z-元件的开关量(光、磁和力敏)输出会产生超前跳变和滞后跳变误差。

使用者在设计电路时,是依据有效激励(光、磁和力等)的大小来确定静态工作点QS,这时Z-元件两端的电压为VZS,并具有下述关系:

Vth -VZS=DV (1)

当T(℃)升高时,因Vth减小,DV就减小。当减小到DV=0时,即VZS =Vth时,就产生了超前跳变误差;同理,当T(℃)下降时,因Vth增大,DV就增大,以至于大到有效激励作用时,也不产生跳变,这就产生了滞后跳变误差。当我们选定负载电阻RL值和电源电压ES后,静态工作点QS就确定了。因此,Z-元件开关电路设计的着眼点应在于DV 的取值。既要保证Z-元件在有效激励时,能产生有效跳变;而通过温度补偿又能保证DV的初始设计值不随温度变化,即可消除超前跳变误差和滞后跳变误差。

3.温度补偿方法

(1)负载电阻的确定



图11(a)是开关信号电路的工作解析图,图11(b)是开关信号的波形图。开关量输出的输出低电平VOL不是直线,其变化规律以及跳变幅值与M1区特性和静态工作点的设置有关,这是Z-元件开关量输出的特有问题。为保证应用中有足够大的跳变幅值,输出低电平不致太高,必须合适的设置静态工作点,因而当电源电压一定时,合理的选择负载电阻RL的值十分重要。

Z-元件在没有输出开关信号,即工作在M1区时,其功耗是很小的,只有工作 在M3区时,其功耗才增大。从图11(b)可知,开关信号的低电平不是常数,因VOL=IZRL,当温度升高时,IZ增大使VOL增大,而且负载电阻RL越大,低电平增大值也越大,因此,为了降低VOL,要求RL越小越好。由于受Z-元件功耗的限制,RL不能无限制的减小,为了Z-元件安全工作和降低电源的耗电,可选择Z-元件的工作功耗为额定功耗的1/5,即PZ=0.2PM,PZ=0.2PM=IZVZ=IfVf。通过下述计算即可求出合适的负载电阻RL值:

按照产品标准的规定:

Vf≤Vth/3

取:VZ=Vf=Vth /3,

If=(E-Vf)/RL=(Vth-Vf+IthRL)/RL
因为IthRL很小,忽略不计,所以: ,



所以: (2)

(2)电源电压ES的确定

由图12可知

ES=VZS+IZSRL

= Vth –DV+ IZSRL

 

 

因为IZSRL很小,只有0.1~0.2V,所以将其忽略不计,常温下电源电压ES为:

ES ≈Vth –DV

考虑到电源电压调变时,可能存在误差,初始设计的DV值不能过小,其最小值建议为(5~10°C) SP (SP为阈值点的温度灵敏度)。所以:ES= Vth +(5~10°C) SP (3)

(3)同步改变电源电压

从图12我们知道,当温度上升到T1时,阈值点P将左移至P1点,若通过补偿能自动将电源电压由ES调整到E1,使工作点从QS左移至Q1,并使(1)式成立,DV即可保持不变,此时Vth1 –VZ1 =DV;当温度下降到T2时,P点将右移至P2点,若将电源电压ES由ES自动调整到E2,并使(1)式成立,DV仍可保持不变,此时Vth2 –VZ2 =DV即可消除跳变误差,达到补偿。

在T1时,电源电压为E1: E1= Vth1+(5~10℃) SP = Vth +(T1-T) SP+(5~10℃) SP
在T2时,电源电压为E2:E2= Vth2+(5~10℃) SP = Vth +(T2-T) SP+(5~10℃) SP
在工作温度范围T2~T1间电源电压的调变量为DE:

DE=E2-E1=(T2-T1) SP (4)

从(4)式可以看出,该开关量输出电路的电源,应该是具有负温度系数的直流电源,该电源可选用图6中的电源E,只需把Rt换成NTC电阻,或用图7中电源EO。

四、脉冲频率输出的温度补偿

1.应用电路
Z-元件的脉冲频率输出有不同的电路组态,其应用组态之一如图13所示。该电路当电源电压E恒定时,在光、磁或力等外部激励作用下,输出端VO可输出与外部激励成比例的脉冲频率信号,称为有效输出,波形为锯齿波,如图14所示。作为半导体敏感元件,由于环境温度对有效输出也具有一定灵敏度,这将严重影响有效输出的检测精度,当环境温度变化较大或检测精度要求较高时,必须通过温度补偿对温漂加以抑制。

2.温度补偿原理
Z-元件的输出频率f与工作电压E有关,与电路结构以及参数

《Z元件的温度补偿技术(第3页)》
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