PNP，NPN型三极管的PN结测量温度解决方案

简 介： 根据PN结的电流电压方程，可以看到它与PN温度有关，基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。选择NPN，PNP三极管（2N3906,2N3904）所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN JuncTIon[1] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。

01 理论基础

1.1 相关芯片

在  LINEAR TECHNOLOGY[2]  技术文档Accurate Temperature Sensing with a External P-N JuncTIon[6]  给出了 利用外置的PN结测量温度的方案。这类方案中应用到  LTC2974[3] 、 LTC3880[4] 、 LTC3883[5] 这类开关电源中的温度管理中。

这篇文档提到应用PNP型三极管 2N3906[6] 的 b-e PN 结温度特性来测量外部温度。这个三极管在  三极管的耐压与hFE之间是什么关系？[7] 被测量过，说明我手头是存在这款三极管的。

在 博文 利用二极管的P-N结的I-V特性测量Boltzmann常数[8] 利用了 对应的 NPN型（ 2N2904[9] ）测量了Boltzmann常数，精度在1.4%之内。这也间接证明了利用三极管中的PN结测量温度的实验基础。

1.1.1 提出问题

上面的资料给我们提出了以下问题：

为什么需要借助于三极管中的PN结来测量温度，而不是简单的使用普通的二极管的PN结？

对于PNP，NPN型三极管，究竟哪一种PN结测量温度比较高？

（1）为什么使用三极管?

通常下，直接使用二极管测量V-A特性，会发现它与PN前向偏置电流方程有差别：

下面是在  Forward and Reverse Bias of a PN JuncTIon (Explained) 给出的普通二极管V-A特性曲线。

▲ 图1.1.1  PN结的V-I 特性

在  PN JuncTIon Theory for Semiconductor Diodes[10] 中给出了二极管的 I-V 特性曲线：

▲ 图1.1.2  二极管 I-V 特性曲线

在  Measurement  of Boltzmanns constant[11] 作者D.E Evans展示了使用普通的设备在  TIP29[12] 功率 PNP三极管的 b-e 结上测量 e/k 常数的实验。其中提到，在满足   V的时候，对于普通的PN结中的 多数载流子和表面电流的影响都被基极电流抵消了，因此集电极电流   正好反映了 PN 结电流的内容。

▲ 图1.1.1 三极管的集电极电流反映了PN结电流

在  Accurate Temperature Sensing with an External P-N Junction[6] 的中间，CHOICE of PN Junction Device一节中也给出了为什么选择 PNP，NPN三极管来测量PN温度的说明：

一些二极管的前向导通电压与温度之间并没有特别大的关系，主要可能是来自于反向Is电流与温度也有关系，这就为什么普通的二极管的电压特性与温度之间是反向的关系，而不是像前面公式中所选择的那样；

三极管中的PN结具有很大的理想因子   ，这对于提高测量精度有利。

▲ 图1.1.4 LTSpice 仿真对比了2N3906, 1N4148 PN结 I-V特性曲线

（2）NPN 与 PNP

至于使用NPN还是PNP来测量温度，在所能够看到的文献中并没有进行对比。

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

1.2 相关公式

1.2.1 PN结电流方程

：前向电流

：反向饱和电流

：B-E 前向电压

：温度电压

：理想因子

：玻尔兹曼常数

在   的时候，上述公式中的   可以省略：

则对应的温度：

如果使用差分电流，也就是分别测量在 两个电流下的对应 ，那么可以获得：

特别是两个电流呈现比例关系： ，则：

在最终的温度计算公式中，二极管的反向饱和电流 被消去，就只剩下一个二极管理想因子 。

02 电路设计

2.1 电路布线

▲ 图2.1.1 测量基本原理图

▲ 图2.1.2 利用LTC2991读取NPN的PN结温度传感器

※ 总  结 ※

根据PN结的电流电压方程，可以看到它与PN温度有关，基于此可以用于测量环境或者芯片内部的温度。

选择NPN，PNN三极管（2N3906,2N3904）所得到的温度比起普通的PN结更加的精确。本文参照 Accurate Temperateure Sensing with an External PN Junction[6] 给出了设计外部PN结测温所需要的主要的方面。

参考资料

[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]

三极管的耐压与hFE之间是什么关系？: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/120946851

[8]

利用二极管的P-N结的I-V特性测量Boltzmann常数: 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

编辑：黄飞