簡 介： 根據PN結的電流電壓方程，可以看到它與PN溫度有關，基于此可以用于測量環境或者芯片內部的溫度。選擇NPN，PNP三極管（2N3906,2N3904）所得到的溫度比起普通的PN結更加的精確。本文參照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[1] 給出了設計外部PN結測溫所需要的主要的方面。

01 理論基礎

1.1 相關芯片

在 ?LINEAR TECHNOLOGY[2] ?技術文檔Accurate Temperature Sensing with a External P-N Junction[6] ?給出了 利用外置的PN結測量溫度的方案。這類方案中應用到 ?LTC2974[3] 、 LTC3880[4] 、 LTC3883[5] 這類開關電源中的溫度管理中。

這篇文檔提到應用PNP型三極管 2N3906[6] 的 b-e PN 結溫度特性來測量外部溫度。這個三極管在 ?三極管的耐壓與hFE之間是什么關系？[7] 被測量過，說明我手頭是存在這款三極管的。

在 博文 利用二極管的P-N結的I-V特性測量Boltzmann常數[8] 利用了 對應的 NPN型（ 2N2904[9] ）測量了Boltzmann常數，精度在1.4%之內。這也間接證明了利用三極管中的PN結測量溫度的實驗基礎。

1.1.1 提出問題

上面的資料給我們提出了以下問題：

為什么需要借助于三極管中的PN結來測量溫度，而不是簡單的使用普通的二極管的PN結？

對于PNP，NPN型三極管，究竟哪一種PN結測量溫度比較高？

（1）為什么使用三極管?

通常下，直接使用二極管測量V-A特性，會發現它與PN前向偏置電流方程有差別：

下面是在 ?Forward and Reverse Bias of a PN Junction (Explained) 給出的普通二極管V-A特性曲線。

▲ 圖1.1.1 ?PN結的V-I 特性

在 ?PN Junction Theory for Semiconductor Diodes[10] 中給出了二極管的 I-V 特性曲線：

▲ 圖1.1.2 ?二極管 I-V 特性曲線

在 ?Measurement ?of Boltzmanns constant[11] 作者D.E Evans展示了使用普通的設備在 ?TIP29[12] 功率 PNP三極管的 b-e 結上測量 e/k 常數的實驗。其中提到，在滿足 ? V的時候，對于普通的PN結中的 多數載流子和表面電流的影響都被基極電流抵消了，因此集電極電流 ? 正好反映了 PN 結電流的內容。

▲ 圖1.1.1 三極管的集電極電流反映了PN結電流

在 ?Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 的中間，CHOICE of PN Junction Device一節中也給出了為什么選擇 PNP，NPN三極管來測量PN溫度的說明：

一些二極管的前向導通電壓與溫度之間并沒有特別大的關系，主要可能是來自于反向Is電流與溫度也有關系，這就為什么普通的二極管的電壓特性與溫度之間是反向的關系，而不是像前面公式中所選擇的那樣；

三極管中的PN結具有很大的理想因子 ? ，這對于提高測量精度有利。

▲ 圖1.1.4 LTSpice 仿真對比了2N3906, 1N4148 PN結 I-V特性曲線

（2）NPN 與 PNP

至于使用NPN還是PNP來測量溫度，在所能夠看到的文獻中并沒有進行對比。

不過在Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 對于2N3906（PNP），2N3904（NPN）都表示可以的。

1.2 相關公式

1.2.1 PN結電流方程

：前向電流

：反向飽和電流

：B-E 前向電壓

：溫度電壓

：理想因子

：玻爾茲曼常數

在 ? 的時候，上述公式中的 ? 可以省略：

則對應的溫度：

如果使用差分電流，也就是分別測量在 兩個電流下的對應 ，那么可以獲得：

特別是兩個電流呈現比例關系： ，則：

在最終的溫度計算公式中，二極管的反向飽和電流 被消去，就只剩下一個二極管理想因子 。

02 電路設計

2.1 電路布線

▲ 圖2.1.1 測量基本原理圖

▲ 圖2.1.2 利用LTC2991讀取NPN的PN結溫度傳感器

※ 總??結 ※

根據PN結的電流電壓方程，可以看到它與PN溫度有關，基于此可以用于測量環境或者芯片內部的溫度。

選擇NPN，PNN三極管（2N3906,2N3904）所得到的溫度比起普通的PN結更加的精確。本文參照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[6] 給出了設計外部PN結測溫所需要的主要的方面。

參考資料

[1]

Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an137f.pdf

[2]

LINEAR TECHNOLOGY: https://baike.baidu.com/item/%E5%87%8C%E5%8A%9B%E5%B0%94%E7%89%B9%E5%85%AC%E5%8F%B8/10525125

[3]

LTC2974: https://www.analog.com/en/products/ltc2974.html

[4]

LTC3880: https://www.analog.com/en/products/ltc3880.html#product-overview

[5]

LTC3883: https://www.analog.com/cn/products/ltc3883.html

[6]

2N3906: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/2n3906-d.pdf

[7]

三極管的耐壓與hFE之間是什么關系？: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/120946851

[8]

利用二極管的P-N結的I-V特性測量Boltzmann常數: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/107117476

[9]

2N2904: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/11470/ONSEMI/2N3904.html

[10]

PN Junction Theory for Semiconductor Diodes: https://electricala2z.com/electronics/pn-junction-theory-for-semiconductor-diodes/

[11]

Measurement ?of Boltzmanns constant: http://pleclair.ua.edu/PH255/papers/Planck-Boltzmann/measure_e-k-2.pdf

[12]

TIP29: https://html.alldatasheet.com/html-pdf/2774/MOSPEC/TIP29/144/1/TIP29.html

編輯：黃飛