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 se puede incluir en un circuito integrado de silicio a un coste muy bajo. El principio del sensor es que la tensión directa de un diodo de silicio , que puede ser la unión base-emisor de un transistor de unión bipolar (BJT), depende de la temperatura, de acuerdo con 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 kelvin ,

T ₀ = temperatura de referencia,

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

V _{BE 0} = tensión 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 referencia de banda prohibida de Brokaw

Al comparar los voltajes de dos uniones a la misma temperatura, pero a dos corrientes diferentes, I _C1 e I _C2 , se pueden eliminar muchas de las variables de 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 unión es una función de la densidad de corriente, es decir, área de corriente/unión, y se puede obtener un voltaje de salida similar al operar las dos uniones con la misma corriente, si una es de un área diferente a la otra.

Un circuito que fuerza a I _C1 e 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 el de 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 alterar 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 a diferentes densidades de corriente, es proporcional a la temperatura absoluta (PTAT).

Los circuitos PTAT que utilizan transistores BJT o CMOS se utilizan 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 a cualquier temperatura). ^{[2] [3] [4]}

Si no se requiere una alta precisión, es suficiente polarizar un diodo con una corriente baja constante y utilizar 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 requerida ]}

Referencias

1. Widlar, RJ (enero de 1967). "Una expresión exacta para la variación térmica del voltaje de 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 de circuitos integrados" Archivado el 27 de agosto de 2013 en archive.today . Analog Devices. 2008.
3. C. Rossi, C. Galup-Montoro y MC Schneider. "Generador de voltaje PTAT basado en un divisor de voltaje MOS". Actas técnicas de la conferencia y feria de nanotecnología, 2007.
4. Andre Luiz Aita y Cesar Ramos Rodrigues. "Desajuste de fuentes de corriente CMOS PTAT en función de la temperatura". 26.º Simposio sobre circuitos integrados y diseño de sistemas (SBCCI 2013). 2013.

Enlaces externos

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