Sensor de temperatura de banda prohibida de silicio

El sensor de temperatura de banda prohibida de silicio es una forma extremadamente común de sensor de temperatura ( termómetro ) utilizado en equipos electrónicos. Su principal ventaja es que puede incluirse en un circuito integrado de silicio a muy bajo coste. El principio del sensor es que el voltaje directo de un diodo de silicio , que puede ser la unión base-emisor de un transistor de unión bipolar (BJT), depende de la temperatura, según la siguiente ecuación: ^[1]

${\displaystyle V_{BE}=V_{G0}\left(1-{\frac {T}{T_{0}}}\right)+V_{BE0}\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)+\left({\frac {nkT}{q}}\right)\ln \left({\frac {T_{0}}{T}}\right)+\left({\frac {kT}{q}}\right)\ln \left({\frac {I_{C}}{I_{C0}}}\right)\,}$

dónde

T = temperatura en kelvins ,

T ₀ = temperatura de referencia,

V _{G 0} = voltaje de banda prohibida en cero absoluto ,

V _{BE 0} = voltaje de unión a temperatura T ₀ y corriente I _C0 ,

k = constante de Boltzmann ,

q = carga de un electrón ,

n = una constante dependiente del dispositivo.

Circuito de una referencia de banda prohibida de Brokaw.

Al comparar los voltajes de dos uniones a la misma temperatura, pero con dos corrientes diferentes, I _C1 e I _C2 , se pueden eliminar muchas de las variables en la ecuación anterior, lo que da como resultado la relación:

${\displaystyle \Delta V_{BE}={\frac {kT}{q}}\cdot \ln \left({\frac {I_{C1}}{I_{C2}}}\right)\,}$

Tenga en cuenta que el voltaje de la unión es función de la densidad de corriente, es decir, corriente/área de la unión, y se puede obtener un voltaje de salida similar operando las dos uniones con la misma corriente, si una tiene un área diferente a la otra.

Un circuito que obliga a I _C1 y I _C2 a tener una relación N:1 fija, ^[2] da la relación:

${\displaystyle \Delta V_{BE}={\frac {kT}{q}}\cdot \ln \left(N\right)\,}$

Por lo tanto, se puede utilizar un circuito electrónico, como la referencia de banda prohibida de Brokaw , que mide Δ V _BE para calcular la temperatura del diodo. El resultado sigue siendo válido hasta aproximadamente 200 °C a 250 °C, cuando las corrientes de fuga se vuelven lo suficientemente grandes como para corromper la medición. Por encima de estas temperaturas, se pueden utilizar materiales como el carburo de silicio en lugar del silicio.

La diferencia de voltaje entre dos uniones pn (por ejemplo, diodos ) , operadas con diferentes densidades de corriente, es proporcional a la temperatura absoluta (PTAT).

Los circuitos PTAT que utilizan transistores BJT o CMOS se usan ampliamente en sensores de temperatura (donde queremos que la salida varíe con la temperatura), y también en referencias de voltaje de banda prohibida y otros circuitos de compensación de temperatura (donde queremos la misma salida en cada temperatura). ^{[2] [3] [4]}

Si no se requiere alta precisión, basta con polarizar un diodo con una corriente baja constante y usar su coeficiente térmico de −2 mV/˚C para el cálculo de la temperatura; sin embargo, esto requiere calibración para cada tipo de diodo. Este método es común en sensores de temperatura monolíticos. ^{[ cita necesaria ]}

Referencias

1. Widlar, RJ (enero de 1967). "Una expresión exacta para la variación térmica del voltaje base del emisor de transistores bipolares". Actas del IEEE . 55 (1): 96–97. doi :10.1109/PROC.1967.5396. ISSN  0018-9219.
2. James Bryant. "Sensores de temperatura IC" Archivado el 27 de agosto de 2013 en archive.today . Dispositivos analógicos. 2008.
3. C. Rossi, C. Galup-Montoro y MC Schneider. "Generador de voltaje PTAT basado en un divisor de voltaje MOS". Conferencia y feria comercial de nanotecnología, Actas técnicas, 2007.
4. André Luiz Aita y César Ramos Rodrigues. "Las fuentes de corriente PTAT CMOS no coinciden con la temperatura". El 26º Simposio sobre circuitos integrados y diseño de sistemas (SBCCI 2013). 2013.

enlaces externos

• Teoría y técnicas prácticas de detección de temperatura, dispositivos analógicos
• Sensores de temperatura monolíticos de precisión, TI (anteriormente National Semiconductor)