ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1997 года по МПК G01K7/01 

Изобретение относится к электронике, в частности к интегральным преобразователям температуры.

Известно множество преобразователей температуры, среди которых максимальную чувствительность имеют те, где в качестве термочувствительного элемента используются полупроводниковые диоды или термисторы, например UAA3274 Фирмы Omega Eng. / 1 / или преобразователь, предложенный в / 2 /. именно такие преобразователи получили наибольшее распространение. Однако, при их использовании точность, диапазон измеряемой температуры и другие параметры зависят от температуры окружающей среды и от применяемой аппаратуры, измеряющей их сопротивление. Стремление создать дешевое и простое устройство, в максимальной степени использующее возможности термочувствительного элемента, привело к созданию преобразователей, которые соединят в себе термочувствительный элемент и схему преобразования термозависимого параметра.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь / 3 /, в котором полупроводниковый диод подключен одним выводом к первой входной шине, а другим выводом к первому входу компаратора и сигнальному выходе ключевого элемента, сигнальный вход которого подключен к второй входной шине, второй вход компаратора подключен к третьей входной шине, его выход соединен с выходной шиной, а управляющий вход ключевого элемента подключен к четвертой входной шине, один из выводом конденсатора подключен к первой входной шине, а второй вывод к сигнальному выходу ключевого элемента.

В исходном состоянии ключевой элемент открыт. На входные шины подано напряжение, смещающее диод в обратном направлении. Конденсатор заряжен до разности этих напряжений. На втором входе компаратора установлено напряжение, промежуточное между напряжениями земли и второй входной шины. На выходе компаратора при этом устанавливается напряжение, соответствующее состоянию его входов. Затем на управляющий вход ключевого элемента подается сигнал, который закрывает данный элемент. С этого момента напряжение на конденсаторе начинает уменьшаться за счет обратного тока диода, а напряжение на входах компаратора выравнивается, в результате чего состояние выхода меняется на противоположное. Продолжительность временного интервала до изменения состояния выхода компаратора зависит от температуры и является измеряемым параметром.

Наличие компаратора оказывает существенное влияние на результат измерений, так как его порог срабатывания и, следовательно, измеряемый временной интервал зависит от ряда факторов. Во-первых, от температуры, при которой находится компаратор, во-вторых, от разброса напряжений источника питания. Таким образом, погрешность измерения температуры с помощью преобразователя /3/ велика.

Цель изобретения повышение точности измерения температуры.

Указанный результат достигается тем, что преобразователь температуры, содержащий термочувствительный элемент в виде полупроводникового диодного датчика, конденсатор, первый и второй источники постоянного напряжения, первый источник опорного напряжения, входную и выходную шины и общую шину, в котором первые выводы диодного датчика и конденсатора объединены и подключены к первому источнику постоянного напряжения, содержит также первый, второй и третий транзисторы с изолированным затвором и второй источник опорного напряжения, при этом вторые выводы диодного датчика и конденсатора объединены и подключены к истоку первого транзистора, сток которого подключен к первому источнику опорного напряжения, а затвор к входной шине, затвор второго транзистора подключен к истоку первого транзистора, сток второго транзистора подключен к второму источнику постоянного напряжения, а его исток к стоку третьего транзистора и выходной шине, затвор третьего транзистора подключен к второму источнику опорного напряжения, его сток подключен к выходной шине, а исток к общей шине.

На чертеже представлена принципиальная схема преобразователя температуры.

Схема, содержащая входную шину 1, выходную шину 2, первый 3 и второй 4 источники постоянного напряжения, первый 5 и второй 6 источники опорного напряжения, первый транзистор с изолированным затвором 7, термочувствительный диодный датчик 8, конденсатор 9, второй 10 и третий 11 транзисторы с изолированным затвором, общую шину 12.

Конденсатор 9 и диод подключены одним выводом к источнику постоянного напряжения 3, другие их выводы объединены и подключены к истоку транзистора 7 и к затвору транзистора 10. Транзистор 7 подключен стоком к источнику опорного напряжения 5, а затвором к входной шине 1. Сток транзистора 10 подключен к источнику напряжения 4, а его исток подключен к выходной шине 2 и к стоку транзистора 11. Затвор транзистора 11 подключен к источнику опорного напряжения 6, а его исток к общему выводу 12.

Работа преобразователя температуры осуществляется следующим образом. В исходном состоянии источник напряжения 3 формирует напряжение, обеспечивающее электрическое смещение диода 8 в обратном направлении. На вход 1 подано напряжение, обеспечивающее открытое состояние транзистора 7, на истоке которого напряжение равно напряжению опорного источника 5. Электрическая цепь на транзисторе с изолированным затвором 10, 11 представляет собой пороговый элемент. Конденсатор 9 заряжен до разности напряжений источников 5 и 3. Транзистор 10 находится в открытом (или в закрытом в зависимости от типа транзистора и напряжении источника 5) состоянии, обеспечивая высокий (низкий) логический уровень на выходной шине. Транзистор 11 постоянно находится в проводящем состоянии, обеспечивая нагрузочный ток в выходной цепи. Затем на входную шину 1 подается сигнал, закрывающий транзистор 7. С этого момента напряжение на конденсаторе 9 начинает уменьшаться за счет обратного тока р-п перехода диода 8. Напряжение на затворе транзистора 10 уменьшается или увеличивается до значения порогового напряжения, что приводит к изменению состояния транзистора 10 в закрытое (или в открытое) и к соответствующему изменению логического сигнала на выходе 2. Временной интервал между изменением уровня сигнала на входе 1 и изменением уровня сигнала на выходе 2 определяется значением термозависимого обратного тока р-п перехода диода 8 и значением порогового напряжения цепи из транзисторов 10 и 11. Данное пороговое напряжение зависит от конструкции и технологии изготовления транзисторов, оно слабо зависит от напряжения источника 4 и может регулироваться напряжением источников 5, 6, что позволяет одновременно регулировать временной интервал между входным и выходным сигналами, являющийся измеряемым параметром преобразователя. Таким образом, предлагаемое устройство преобразует температуру во временной интервал между входным и выходным сигналами.

В предлагаемом устройстве скорость разряда конденсатора 9 зависит лишь от тока диодного датчика, так как ток затвора транзистора 10 равен нулю. Таким образом, предложенное в устройстве преобразование температуры во временной интервал с помощью порогового элемента из транзисторов с изолированным затвором позволяет в отличие от прототипа исключить влияние на этот процесс температуры окружающей среды и существенно снизить влияние разброса напряжения источника питания, а следовательно, повысить точность измерения температуры.

Опытные образцы предлагаемого устройства были изготовлены в виде микросхемы с кристаллами, выполненными по КМОП технологии и показали хорошие результаты.

Благодаря своей высокой точности и простоте реализации в виде интегральной схемы предлагаемый преобразователь температуры целесообразно применять в бытовых и медицинских термометрах, а также в многоканальных системах.

Сущность изобретения: преобразователь температуры содержит термочувствительный элемент в виде п/п диодного датчика, конденсатор, три транзистора с изолированным затвором, два источника постоянного напряжения /3, 4/ и два источника опорного напряжения /5, 6/. Изобретение позволяет повысить точность измерения температуры за счет исключения влияния температуры окружающей среды. 1 ил.

Преобразователь температуры, содержащий термочувствительный элемент в виде полупроводникового диодного датчика, конденсатор, первый и второй источники постоянного напряжения, первый источник опорного напряжения, входную и выходную шины и общую шину, причем первые выводы диодного датчика и конденсатора объединены и подключены к первому источнику постоянного напряжения, отличающийся тем, что в него введены первый, второй и третий транзисторы с изолированным затвором и второй источник опорного напряжения, при этом вторые выводы диодного датчика и конденсатора объединены и подключены к истоку первого транзистора, сток которого подключен к первому источнику опорного напряжения, а затвор к входной шине, затвор второго транзистора подключен к источнику первого транзистора, сток второго транзистора к второму источнику постоянного напряжения, а его исток к выходной шине и стоку третьего транзистора, затвор которого подключен к второму источнику опорного напряжения, сток к выходной шине, а исток к общей шине.