Осадчук В.С., Осадчук О.В. Мікроелектронні сенсори температури з частотним виходом

Подождите немного. Документ загружается.

130

Рис. 4.34.Теоретична та експериментальна залежність реактивної

складової від температури для перетворювача з напівпровідниковим

термоопором ММТ-1

Рис. 4.35. Теоретична та експериментальна залежність реактивної

складової від температури для структури з металевим термоопором

Функція перетворення, тобто залежність частоти генерації від темпе-

ратури, визначається із системи рівнянь Кірхгофа. Спочатку визначається

реактивна складова повного опору на електродах колектор-колектор тран-

зисторної структури, а потім з реактивної складової визначається еквівале-

нтна

ємність, яка залежить від температури. Зміна еквівалентної ємності

визначає залежність частоти генерації від температури. Аналітичний вираз

функції перетворення має вигляд

131

22 22 2 22

(() ) (() ) 0.4 ()

()

ttvx ttvx vxtt

vx t t

TC CL RTC CL CLRTC

CLRT C

−+ − +

= . (4.48)

Числові розрахунки на персональному комп’ютері типу PENTIUM дозво-

ляють отримати функцію перетворення у вигляді графіків (рис. 4.36,

рис. 4.37). Функція чутливості описується рівнянням

(

)

222

22 2 22

222

() ()

4() 0.8 ()

()

2()

0.4 ( )

4()

()

() 0.4 ()

0.4 ( )

()

tt vxtt

vx t t

t t vx vx t t

vx t t

vx t t v

RT RT

AR T C C LR T C

RTC

ACLRTC

CLRT C

RT C CL A CLRT C

AA CLRTC

CLRT C C

∂∂

⎛

⎜

∂

∂∂

⎜

∂

⎜

=−

⎜

⎝

∂

⎞

−++

⎟

∂

−

⎟

⎠

()

xt t

LR T C

(4.49)

де

()

ttvx

RT C CL=−.

Аналіз графіка (рис. 4.36) показує, що підвищення температури в діапа-

зоні від 20 ºС до 100 ºС приводить до лінійного зниження частоти генерації

на 136 кГц, якщо напруга живлення 4 В, а якщо напруга живлення 6 В – на

148 кГц. Цей спад частоти генерації викликаний зменшенням опору тер-

мочутливого елемента, який включено в коло зворотного

позитивного

зв’язку.

Рис. 4.36. Теоретична та експериментальна залежності частоти генерації

від температури для перетворювача з термоопором ММТ-1

132

Рис. 4.37. Теоретична та експериментальна залежності частоти генерації

від температури для перетворювача з металевим термоопором

Аналіз графіка (рис. 4.37) показує, що підвищення температури в діапазоні

від 0 ºС до 400 ºС приводить до лінійного збільшення частоти генерації на

36,6 кГц при напрузі живлення 4 В, а якщо напруга живлення 6 В –

60,2 кГц. Це зростання частоти генерації

викликано збільшенням опору

металевого термочутливого елемента, який включено в коло зворотного

позитивного зв’язку. Чутливість радіовимірювальних термочутливих пере-

творювачів з напівпровідниковим термоопором ММТ-1 та металевим

термоопором показано на рис. 4.38 і рис. 4.39.

Рис. 4.38. Чутливість частотного термочутливого перетворювача

з термоопором ММТ-1

133

Рис. 4.39. Чутливість частотного термочутливого перетворювача

з металевим термоопором

4.8. Частотний перетворювач температури на основі біполярних

транзисторів з активним індуктивним елементом

Виконання температурного радіовимірювального перетворювача у

вигляді інтегральної схеми потребує застосування плівкової технології для

виготовлення пасивного індуктивного елемента у вигляді спіралі, проте її

добротність має невелике значення [124, 125] і, по-друге, її розміри на час-

тотах до 10

Гц несумісні з розмірами інтегральної схеми перетворювача.

Тому для вирішення цієї проблеми запропоновано використати індуктив-

ний характер повного опору біполярного транзистора з RC-колом, яке лег-

ко виконується у вигляді інтегральної схеми [58]. Отже, схема радіовимі-

рювального перетворювача температури з активним індуктивним елемен-

том показана на рис. 4.40 [59].

Рис. 4.40. Схема частотного перетворювача температури на основі

біполярних транзисторів з активним індуктивним елементом

134

Термочутливі біполярні транзистори VT1, VT2 і VT3 реалізують ге-

нератор електричних коливань, в якому коливальний контур утворений

ємнісною складовою повного опору на електродах колектор-колектор тер-

мочутливих біполярних транзисторів VT1 і VT2 та індуктивною складо-

вою повного опору на електродах емітер-колектор термочутливого біполя-

рного транзистора VT4. Таким чином, при дії температури на термочутливі

транзистори VT1, VT2 і

VT3 змінюється як ємність, так і індуктивність

коливального контуру генератора, що значно підвищує чутливість і точ-

ність вимірювання температури, при цьому така схема перетворювача по-

вністю реалізується у вигляді інтегральної схеми.

Залежність параметрів еквівалентної схеми біполярних транзисторів

VT1 і VT2, які утворюють ємність та індуктивність коливального контуру

залежних від дії температури, розглянуто

у роботах [85, 86, 87, 88].

Еквівалентна схема перетворювача, яка містить елементи, що залежать

від дії температури показана на рис. 4.41. Для зручності розрахунків пере-

творимо її у компактнішу (рис. 4.42).

Рис. 4.41. Еквівалентна схема частотного перетворювача температури

на основі біполярних транзисторів з активним індуктивним елементом

135

Рис. 4.42. Перетворена еквівалентна схема

Система рівнянь Кірхгофа, згідно з рис. 4.42, має вигляд

2 3214134261749

1 113568910112353133355254

5 5 56 66 86 96 9 8 9 7 9 6 103 10 10 10 9 10 6 114

10 13 12

() ,

()

RRCR R R C R

U Z Z Z Z i Zi Zi Zi Zi

UZZZZZZZZZiZiZIZIZIZIZI

ZI Zi Zi Zi Zi ZI ZI ZI Z i Z I Z I Z I Z i

ZZZ

=+++ + − ++

=++++++++ −−−++++

++++++++−− − + −

=++

3 10 2 10 10 10 9 10 6 13 4 13 10 13 9 13 6

1261210129126

31413114 311461331391310136112

3 4 2 5 32 31 33 35 46 41 43 45

)

0( ) ,

0( )

iZiZI ZIZIZiZI ZIZI

Zi ZI ZI ZI

ZZZZiZiZiZiZIZIZIZi

Z Z Z i Zi ZI ZI ZI Zi ZI ZI ZI

−+ + − −− − + +

+− − +

=+++ ++−+ + − −

=++ − + + − + − − + +

21 23 25

2 14 12 9 8 6 5 4 7 6 2 1 14 4 12 3 12 9 12 10 12 6

92 9 8 9 7 9 6 82 62 52 5 4 5 2 5 5 45 4 1 4 3 4 5

1151719 207 1115917

0( )

R R

ZI ZI ZI

Z Z Z Z Z Z Z Z Z i Z i Zi Zi ZI ZI ZI

Zi ZI ZI ZI Zi Zi Zi ZI ZI ZI Zi ZI ZI ZI

ZZZZZiZiZiZ

+−

=++++++++ −++−− + +

++ + + ++++ + + +−− +

=++++ +−+

8 17 11 7 13 17 15

19 14 9 12 19 11

18 17 16 8 18 13 18 15 18 11 17 7 17 15 17 13 17 11

169 1615 1613 1611

21 16 15 4 9 16 8 16 15 16 13 16 11 15 7 4 1

0( )

0( ) ,

iZI ZI ZI

ZI ZI ZI

Z Z Z i ZI ZI ZI Zi ZI ZI ZI

Zi ZI ZI ZI

ZZZZiZiZIZIZIZiZi

⎫

−++−

−−−

=++ − − + + + + − +

++ + −

=+++ ++ + − − +

⎪

⎬

⎪

⎭

(4.50)

де

()

IT=

;

()

IT=

;

()/ ()

bc R

IT T

;

()/ ()

be F

IT T

= ;

51 1

(() ())/

be bc

IT ITQ=− ;

11015

= ;

136

2814

II==;

3913

II==;

4712

= ;

5611

II==;

11R

;

22R

;

1 bb

RjL

=+ ;

/()

jCT

=− ;

()

;

/()

jbc

jCT

=− ;

/()

jbe

jCT

=− ;

()

ee e

RRT jL

=+ + ;

()

cc c

RRT jL

=+ + ;

11415

ZZ==;

21316

= ;

31217

ZZ==

;

41018

ZZ==

;

5919

;

33R

R= ;

6820

= ;

71121

= .

Значення параметрів елементів еквівалентної схеми (рис. 4.42) для тео-

ретичних розрахунків отримано з робіт [95, 120, 125]. Розв’язання системи

рівнянь (4.50) проведено числовим методом на персональному комп’ютері

типу “Pentium”. Вплив температури на еквівалентні ємність та індуктив-

ність коливального контуру передається через зміну параметрів елементів

еквівалентної схеми, тому функція перетворення описується рівнянням

2( () ())

() () ()

jbe jbc

jbe jbc екв

CT CT

CTCTLT

= . (4.51)

Рис. 4.43. Теоретичні і експериментальні залежності

частоти генерації від температури

137

Чутливість радіовимірювального перетворювача температури з акти-

вним індуктивним елементом визначається на основі (4.51)

() ()

4()()()()()()()()()

()

2( ( ) (

() () ()

jbe jbc

jbe jbc åêâ jbe jbc åêâ jbe jbc åêâ

åêâ

jbe jbc

jbe jbc åêâ

CT CT

CTCTLÒ CTCTLÒ CTCTLÒ

CT CT

CTCTLÒ

∂∂

=−−−

∂

−

⎛

⎛⎞ ⎛⎞

⎜

⎜⎟ ⎜⎟

⎝⎠ ⎝⎠

⎜

⎝

⎞

⎛⎞

⎜⎟

⎟

⎝⎠

⎟

⎠

))

() () ()

jbe jbc åêâ

CTCTLÒ

(4.52)

де

() ()

jbe jbc

CT CT=+.

Теоретична і експериментальна залежності частоти генерації від те-

мператури показані на рис. 4.43. Чутливість частотного перетворювача те-

мператури складає 4,5 кГц/ºС (рис. 4.44) [126]. Експериментальні дослі-

дження проводились за стандартною методикою [127, 128].

Рис. 4.44. Залежність чутливості перетворювача

з активною індуктивністю від температури

138

5. РЕКОМЕНДАЦІЇ ПО ПРОЕКТУВАННЮ МІКРОЕЛЕКТРОННИХ

ЧАСТОТНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Під час проектування нових вимірювальних приладів висуваються все

більш зростаючі вимоги у відношенні їх діапазону, точності, чутливості,

швидкодії, споживання, надійності тощо. Тому для дотримання цих вимог

розробнику вимірювальних пристроїв необхідно оцінити їх досконалість і

ефективність узагальненими показниками, порівняти їх з подібними пока-

зниками раніш розроблених приладів, дати рекомендації з їх

проектування.

Даний розділ присвячений розробці рекомендацій з проектування мікро-

електронних частотних перетворювачів температури на основі аналізу фу-

нкцій перетворення і рівняння чутливості, що визначають основні параме-

три перетворювачів. Зробити оцінку технічного рівня розроблених при-

строїв.

5.1. Вибір критеріїв оцінювання технічного рівня

розроблених перетворювачів

Для оцінювання якості і порівняння різноманітних частотних пере-

творювачів необхідно скористатись поняттям ефективності, під яким ро-

зуміють пристосованість пристрою до виконання поставленої задачі. При

проведенні такого аналізу необхідно мати критерій за яким визначається

ефективність і якість.

Окремі критерії ефективності і якості характеризують окремі сторо-

ни функціонування перетворювачів. Пристрій оптимальний за одним із

окремих критеріїв може бути не оптимальним за іншим. Тому при проек-

туванні і оптимізації вимірювальних перетворювачів прагнуть не до екст-

ремуму будь-якої окремої характеристики, а до загальної оптимальності

пристрою, мірами якої є узагальнені критерії

ефективності. Основою для

формування узагальнених критеріїв є окремі критерії. Їх можна підрозді-

лити на три групи: метрологічні, інформаційні і економічні.

Окремі метрологічні критерії збігаються з основними нормованими

метрологічними характеристиками засобів вимірювання, які визначаються

державними стандартами, і дозволяють оцінити окремі властивості засобів

вимірювання, які впливають на результати і похибки вимірювань [129]:

Номінальна статична характеристика перетворення вимірювального пе-

ретворювача, яка визначає його чутливість.

2. Систематична складова похибки вимірювання, яка нормується комплек-

сом характеристик:

а) межею допустимої систематичної складової похибки засобів вимірю-

вання даного типу;

б) математичним очікуванням систематичної складової похибки засобів

вимірювання даного типу;

139

в) середнім квадратичним відхиленням систематичної складової похибки

засобів вимірювання даного типу.

3. Випадкова складова похибки вимірювання, яка нормується комплексом

своїх характеристик:

а) межею допустимого середнього квадратичного відхилення випадкової

складової похибки засобів вимірювання даного типу;

б) автокореляційною функцією або спектральною густиною потужності

випадкової складової похибки;

в) похибка засобів вимірювання, яка нормується

межею допустимого зна-

чення засобів вимірювання даного типу.

4. Варіація вихідного сигналу вимірювального перетворювача, яка норму-

ється найбільшим допустимим його значенням для даного типу засобів

вимірювання.

5. Вхідний і вихідний опір засобів вимірювання.

6. Динамічні характеристики засобів вимірювання:

а) функція динамічного перетворення, яка встановлює зв’язок між вхідним

і вихідним сигналами (передатна

характеристика, імпульсна перехідна фу-

нкція, перехідна характеристика тощо), яка нормується видом функціона-

льної залежності, номінальними значеннями і найбільш допустимими від-

хиленнями коефіцієнтів цієї залежності;

б) номінальні амплітудно-частотні і фазочастотні характеристики, які но-

рмуються функціями і найбільшими допустимими відхиленнями від номі-

нальної характеристики;

в) час установлення показників, який визначає швидкодію засобів

вимірю-

вання;

7. Функції впливу, які нормуються окремо для кожної впливової величини

номінальною функцією і межею допустимих відхилень від неї;

8. Найбільш допустимі зміни метрологічних характеристик засобів вимі-

рювання, які встановлюються окремо для кожної впливової величини та

неінформативного параметра вихідного сигналу.

Окрім характеристик згідно з стандартами, важливими з теоретичної

точки зору

є такі показники:

•

поріг чутливості, який характеризує мінімальний рівень сигналів, які

можуть бути сприйняті первинними перетворювачами;

•

роздільна здатність, яка визначає допустимі для вимірювання міні-

мальні зміни контрольованих параметрів.

Окрему групу метрологічних критеріїв складають енергетичні харак-

теристики, наприклад, енергія, яка споживається від об’єкта вимірювання.

Енергетична ефективність (потужність короткого замикання для вимірю-

вальних пристроїв з генераторними первинними перетворювачами) [129].

Поділ на метрологічні та інформаційні критерії має умовний харак

тер. Так, деякі метрологічні критерії (наприклад, характеристика система-

тичної та випадкової складових похибки) визначаються з урахуванням їх