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EP0074919B1 - Schaltungsanordnung mit einem Messumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer - Google Patents

Schaltungsanordnung mit einem Messumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer Download PDF

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Publication number
EP0074919B1
EP0074919B1 EP82730109A EP82730109A EP0074919B1 EP 0074919 B1 EP0074919 B1 EP 0074919B1 EP 82730109 A EP82730109 A EP 82730109A EP 82730109 A EP82730109 A EP 82730109A EP 0074919 B1 EP0074919 B1 EP 0074919B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transistor
voltage
circuit
diode
temperature
Prior art date
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Expired
Application number
EP82730109A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0074919A1 (de
Inventor
Udo-Fritz Dipl.-Ing. Buchholz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to AT82730109T priority Critical patent/ATE13730T1/de
Publication of EP0074919A1 publication Critical patent/EP0074919A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0074919B1 publication Critical patent/EP0074919B1/de
Expired legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/22—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the bipolar type only
    • G05F3/222—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the bipolar type only with compensation for device parameters, e.g. Early effect, gain, manufacturing process, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/225—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the bipolar type only with compensation for device parameters, e.g. Early effect, gain, manufacturing process, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a current or voltage as a predetermined function of the temperature

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement with a transmitter, in particular with a semiconductor pressure transducer, and with a transistor circuit via which the transmitter is connected to a supply voltage source, which contains circuit elements for compensating temperature influences on the measuring voltage of the transmitter and which has a connection point for has additional compensation circuit elements, the transistor circuit including a transistor, the base of which is connected via a resistor to the collector and with a further resistor to the emitter.
  • a known circuit arrangement of this type (“Electronics Application •, 12 (1980) 12, pages 35, 36) has a connection point for compensation circuit elements, which is formed by the connection point between transistor circuit and transmitter.
  • the transmitter is a semiconductor pressure transducer with four piezoresistive elements arranged in a bridge circuit, at the output diagonal of which the measuring voltage is taken as the output signal of the pressure transducer.
  • the measuring voltage of this known arrangement is led to the inputs of a differential amplifier, with one of these inputs also the additional. Compensation circuit elements are connected.
  • the additional compensation circuit elements are formed here by resistors with which a linear compensation of temperature influences on the measuring voltage of the transmitter, especially for zero point compensation with no pressure effect on the pressure sensor, can be carried out.
  • the invention has for its object to provide a circuit arrangement with a transmitter in which influences of temperature changes on the measuring voltage are largely avoided.
  • connection point is connected directly to the base of the transistor of the transistor circuit in a circuit arrangement of the type specified above, and to the connection point a diode is connected with its one connection, the other connection via a variable voltage divider to the supply voltage source in Connection is established.
  • the circuit arrangement according to the application is advantageous in that a voltage across the diode, taking into account the voltage at the base of the transistor which changes due to the temperature influence on the transistor circuit, can be set in such a way that the diode is blocked below a predetermined temperature and conductive above this temperature is; This ensures extensive compensation even for a non-linear, temperature-dependent change in the measuring voltage due to the non-linear kink characteristic of the diode.
  • the right summand on the right side of the equation represents a quadratic component in the course of U B , which would thus lead to a measurement error with only linear compensation of the temperature influence on the measuring voltage.
  • the gain behavior of the transistor can be influenced by a bias voltage of the diode set accordingly by means of the voltage divider in such a way that, in the event that the diode is blocked, a different course of the voltage U B than for the case that the diode is conductive.
  • the base voltage of the transistor which, together with the bias voltage, forms the voltage across the diode, is a function of the temperature T that also acts on the transistor, so that the transition from the conductive to the blocked state of the diode (break point) occurs at one Change 'of this temperature T results at a certain value.
  • the voltage U B at the transmitter then behaves approximately like the curve described with equation (1).
  • the bias of the diode can be adjusted in a particularly simple manner if the voltage divider contains an adjustable resistor which is connected to the two poles of the supply voltage source and, with its tap, via a diode series resistor to the other connection of the diode.
  • an adjustable resistor which is connected to the two poles of the supply voltage source and, with its tap, via a diode series resistor to the other connection of the diode.
  • the exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention shown in FIG. 1 has a transmitter 1, which is formed from a bridge circuit composed of piezoresistive elements and outputs the measuring voltage UM at its bridge branch.
  • the transmitter 1 is connected via a transistor circuit 2 to a pole 3 of a supply voltage source, not shown; the other pole 4 of the supply voltage source is led to the other connection of the transmitter 1.
  • the transistor circuit 2 contains a transistor TR, the collector of which is connected to the pole 3 of the supply voltage source and the emitter of which is connected to the transmitter 1.
  • the base of the transistor TR is connected to the collector via a resistor R1 and to the emitter via a resistor R2.
  • the transistor circuit 2 has a connection point 5 which is connected to the base of the transistor TR and to which a diode D is connected with its one connection 6.
  • the diode D is led with its other terminal 7 via a resistor R3 to the tap 8 of an adjustable resistor P;
  • the adjustable resistance P lies between the poles 3 and 4 of the supply voltage source.
  • the transmitter 1 and the transistor circuit 2 are exposed to a temperature influence starting from a temperature T, which would lead to a change in the measuring voltage despite constant pressure acting on the transmitter. Since this temperature T acts in the same way on the transistor TR of the transistor circuit 2, the base voltage U BE at the transistor TR is also set to a value which is characteristic of this temperature T. In the event that the voltage applied to the diode D has such a value due to a corresponding setting of the adjustable resistor P that the diode D is blocked, for. B. at temperatures below 20 °, there is an input voltage U B of the transmitter 1, which can be described by the following equation:
  • a differential change (TK -) in the voltage U B over the temperature T can be represented as follows:
  • the voltage U SE depending on the temperature influence of the temperature T, has a value such that the diode D changes into the conductive region - here, for example, at temperatures greater than 20 ° - the gain behavior of the transistor TR changes in this way that the voltage U B can now be represented in the following way:
  • U s p represents the voltage at the tap of the adjustable resistor P, with which the bias of the diode D is adjusted.
  • the differential change (TK +) of the voltage U B over the temperature T can then be as express as follows:
  • the voltage curves shown in FIG. 2 represent the behavior of the voltage U B when the temperature influence (temperature T) changes on the circuit arrangement according to the invention. If the voltage U e , as shown in curve 10, is an ideal compensation of the temperature influence the measuring voltage is reached analogously to the previously described equation (1). Curve 11 results from a - not dealt with here - compensation of the measuring voltage, which is only compensates for the linear part of the temperature influence.
  • the curve 12 shows the behavior of the voltage U B , as is the case with the circuit arrangement according to the invention.
  • a break point 13 corresponds to the voltage value at which the diode changes from the blocking to the conducting state - here an assumed steep transition.
  • the curve 12 of the voltage U B thus shows that the circuit arrangement according to the invention can also largely compensate for the nonlinear component of the temperature influence on the measurement voltage UM.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem Meßumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer, und mit einer Transistorschaltung, über die der Meßumformer an eine Speisespannungsquelle angeschlossen ist, die Schaltungselemente zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Meßspannung des Meßumformers enthält und die einen Anschlußpunkt für zusätzliche Kompensationsschaltungselemente aufweist, wobei die Transistorschaltung einen Transistor enthält, dessen Basis über einen Widerstand mit dem Kollektor und mit einem weiteren Widerstand mit dem Emitter verbunden ist.
  • Eine bekannte Schaltungsordnung dieser Art (« Elektronik-Applikation •, 12 (1980) 12, Seiten 35, 36) weist einen Anschlußpunkt für Kompensationsschaltungselemente auf, der von der Verbindungsstelle zwischen Transistorschaltung und Meßumformer gebildet ist. Der Meßumformer ist ein Halbleiter-Druckaufnehmer mit vier in einer Brückenschaltung angeordneten piezoresistiven Elementen, an deren Ausgangsdiagonale die Meßspannung als Ausgangssignal des Druckaufnehmers abgenommen wird. Die Meßspannung dieser bekannten Anordnung ist an Eingänge eines Differenzverstärkers geführt, wobei mit einem dieser Eingänge auch die zusätzlichen. Kompensationsschaltungselemente verbunden sind. Die zusätzlichen Kompensationsschaltungselemente sind hier von Widerständen gebildet, mit denen eine lineare Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Meßspannung des Meßumformers, vor allem zur Nullpunktkompensation bei keiner Druckwirkung auf den Druckaufnehmer, vorgenommen werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einem Meßumformer zu schaffen, bei der Einflüsse von Temperaturänderungen auf die Meßspannung weitestgehend vermieden sind.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art der Anschlußpunkt direkt mit der Basis des Transistors der Transistorschaltung verbunden, und an den Anschlußpunkt ist eine Diode mit ihrem einen Anschluß angeschlossen, die mit ihrem anderen Anschluß über einen veränderbaren Spannungsteiler mit der Speisespannungsquelle in Verbindung steht.
  • Die anmeldungsgemäße Schaltunganordnung ist insofern vorteilhaft, als eine Spannung an der Diode unter Berücksichtigung der aufgrund des Temperatureinflusses auf die Transistorschaltung sich ändernden Spannung an der Basis des Transistors mit dem Spannungsteiler so einstellbar ist, daß die Diode unterhalb einer vorgegebenen Temperatur gesperrt und oberhalb dieser Temperatur leitend ist ; hierdurch ist eine weitgehende Kompensation auch einer nichtlinearen, temperaturabhängigen Änderung der Meßspannung aufgrund der nichtlinearen Knickkennlinie der Diode gewährleistet.
  • Eine ideale Kompensation der Temperatureinflüsse auf die Meßspannung des Meßumformers ergäbe sich rechnerisch, wenn eine am Meßumformer anliegende Eingangsspannung UB folgenden Verlauf in Abhängigkeit von der die Meßspannung beeinflussenden Temperatur T aufweisen würde :
    Figure imgb0001
  • Die Spannung Us stellt bei der obigen Gleichung die konstante Spannung der Speisespannungsquelle dar; die dimensionslosen Faktoren sind aufgrund der charakteristischen Daten der piezoresistiven Elemente des Meßumformers ermittelt ; mit dem Faktor (T - 20°) ist die Änderung der variablen Temperatur T als Abweichung von einer vorgegebenen mittleren Temperatur To = 20 °C darstellt.
  • Bei der oben angegebenen Gleichung (1) stellt der rechte Summand auf der rechten Seite der Gleichung einen quadratischen Anteil im Verlauf von UB dar, der somit bei lediglich nur linearer Kompensation des Temperatureinflusses auf die Meßspannung zu einem Meßfehler führen würde.
  • Mit der Anordnung der Diode bei der anmeldungsgemäßen Schaltungsanordnung kann durch eine mittels des Spannungsteilers entsprechend eingestellte Vorspannung der Diode das Verstärkungsverhalten des Transistors so beeinflußt werden, daß sich für den Fall, daß die Diode gesperrt ist, ein anderer Verlauf der Spannung UB ergibt als für den Fall, daß die Diode leitend ist. Die Basisspannung des Transistors, die zusammen mit der Vorspannung die an der Diode anstehende Spannung bildet, stellt eine von der auch auf den Transistor einwirkenden Temperatur T abhängige Größe dar, so daß sich der Übergang vom leitenden zum gesperrten Zustand der Diode (Knickpunkt) bei einer Änderung 'dieser Temperatur T bei einem bestimmten Wert ergibt. Durch entsprechende Einstellung des Spannungsteilers und somit durch Änderung der Vorspannung der Diode kann dieser Knickpunkt z. B. bei einer Temperatur von T = 20 °C (To) liegen. Die Spannung UB am Meßumformer verhält sich dann bei einer Änderung der Temperatur T näherungsweise wie der mit der Gleichung (1) beschriebene Verlauf.
  • Auf besonders einfache Weise läßt sich die Vorspannung der Diode einstellen, wenn der Spannungsteiler einen einstellbaren Widerstand enthält, der an die beiden Pole der Speisespannungsquelle und mit seinem Abgriff über einen Diodenvorwiderstand an den anderen Anschluß der Diode angeschlossen ist. Durch entsprechende Bemessung des Vorwiderstandes und des einstellbaren Widerstandes ist somit eine Festlegung des Knickpunktes der Diode in einem weiten Bereich gewährleistet.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei
    • Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung darstellt und
    • Figur 2 ein Diagramm von verschiedenen Verläufen der Spannung UB in Abhängigkeit von der die Meßspannung beeinflussenden Temperatur T zeigt.
  • Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist einen Meßumformer 1 auf, der aus einer aus piezoresistiven Elementen zusammengesetzten Brückenschaltung gebildet ist und an seinem Brückenzweig die Meßspannung UM abgibt. Der Meßumformer 1 ist über eine Transistorschaltung 2 mit einem Pol 3 einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle verbunden; der andere Pol 4 der Speisespannungsquelle ist an den anderen Anschluß des Meßumformers 1 geführt. Die Transistorschaltung 2 enthält einen Transistor TR, dessen Kollektor mit dem Pol 3 der Speisespannungsquelle und dessen Emitter mit dem Meßumformer 1 verbunden ist. Die Basis des Transistors TR ist über einen Widerstand R1 mit dem Kollektor und über einen Widerstand R2 mit dem Emitter verbunden. Die Transistorschaltung 2 weist einen Anschlußpunkt 5 auf, der mit der Basis des Transistors TR verbunden ist und an den eine Diode D mit ihrem einen Anschluß 6 angeschlossen ist. Die Diode D ist mit ihrem anderen Anschluß 7 über einen Widerstand R3 an den Abgriff 8 eines einstellbaren Widerstandes P geführt ; der einstellbare Widerstand P liegt zwischen den Polen 3 und 4 der Speisespannungsquelle.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Meßumformer ist der Meßumformer 1 und die Transistorschaltung 2 einem von einer Temperatur T ausgehenden Temperatureinfluß ausgesetzt, der zu einer Änderung der Meßspannung trotz gleichbleibenden auf den Meßumformer einwirkenden Druckes führen würde. Da diese Temperatur T in gleicher Weise auf den Transistor TR der Transistorschaltung 2 einwirkt, stellt sich auch die Basisspannung UBE am Transistor TR auf einen für diese Temperatur T charakteristischen Wert ein. Für den Fall, daß die an der Diode D anstehende Spannung aufgrund einer entsprechenden Einstellung des einstellbaren Widerstandes P solch einen Wert aufweist, daß die Diode D gesperrt ist, z. B. bei Temperaturen unter 20°, so ergibt sich eine Eingangsspannung UB des Meßumformers 1, die sich durch folgende Gleichung beschreiben läßt :
    Figure imgb0002
  • Eine differentielle Änderung (TK -) der Spannung UB über der Temperatur T läßt sich wie folgt darstellen :
    Figure imgb0003
  • Für den Fall, daß die Spannung USE abhängig vom Temperatureinfluß der Temperatur T einen solchen Wert aufweist, daß die Diode D in den leitenden Bereich übergeht - hier zum Beispiel bei Temperaturen größer als 20° -, so ändert sich das Verstärkungsverhalten des Transistors TR derart, daß nunmehr die Spannung UB in der folgenden Weise darstellbar ist :
    Figure imgb0004
  • In dieser Gleichung (4) stellt Usp die Spannung am Abgriff des einstellbaren Widerstandes P dar, mit der die Vorspannung der Diode D eingestellt wird..Die differentielle Änderung (TK +) der Spannung UB über der Temperatur T läßt sich dann wie folgt ausdrücken :
    Figure imgb0005
  • Setzt man die beiden für die beschriebenen Temperaturbereiche dargestellten Änderungen (TK +, TK -) der Spannung UB zueinander ins Verhältnis, so ergibt sich
    Figure imgb0006
  • Aus dieser Gleichung (6) ist somit die Bemessungsgrundlage für die Widerstände R1 und R3 zu entnehmen, mit denen somit eine weitgehende Kompensierung des Temperatureinflusses - auch des nichtlinearen Anteils - sichergestellt ist.
  • Da die beschriebenen Gleichungen (2) bis (6) unter der Voraussetzung aufgestellt sind, daß die Diode eine rechtwinklige Knickkennlinie, d. h. einen steilen Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand hat, in der Praxis man jedoch davon ausgehen kann, daß der Übergang nicht steil ist, sondern im Knickpunkt einer e-Funktion angenähert ist, ist der Verlauf der mit der Schaltungsanordnung erzielten Spannung UB in Abhängigkeit von der Temperatur T weitgehend dem mit der Gleichung (1) beschriebenen idealen Verlauf der Spannung UB angenähert.
  • Die in der Figur 2 dargestellten Spannungsverläufe stellen das Verhalten der Spannung UB bei einer Änderung des Temperatureinflusses (Temperatur T) auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dar. Verhält sich die Spannung Ue, wie in Kurve 10 dargestellt, so ist eine ideale Kompensation des Temperatureinflusses auf die Meßspannung analog zu der vorher beschriebenen Gleichung (1) erreicht. Die Kurve 11 ergibt sich bei einer - hier nicht behandelten - Kompensation der Meßspannung, die nur den linearen Anteil des Temperatureinflusses ausgleicht. Mit der Kurve 12 ist das Verhalten der Spannung UB aufgezeigt, wie es sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt. Ein Knickpunkt 13 entspricht dem Spannungswert, bei dem die Diode vom sperrenden in den leitenden Zustand - hier ein angenommener steiler Übergang - überwechselt. Dieser Knickpunkt 13 ist durch Einstellung der Vorspannung der Diode D mittels des Spannungsteilers P - siehe Fig. 1 - so gewählt, daß er bei einer Temperatur To = + 20 °C liegt. Der Temperaturwert ist in die Mitte eines Temperaturbereichs von Tmin = - 30° und Tmax = + 70° gelegt, der den tatsächlichen Temperaturverhältnissen im Bereich dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung entspricht. Die Kurve 12 der Spannung UB zeigt somit, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch eine Kompensation des nichtlinearen Anteils des Temperatureinflusses auf die Meßspannung UM weitgehend erreichbar ist.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung mit einem Meßumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer, und mit
a) einer Transistorschaltung,
a1) über die der Meßumformer an eine Speisespannungsquelle mit konstantem Spannungswert angeschlossen ist, die
a2) Schaltungselemente zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Meßspannung des Meßumformers enthält und die
a3) einen Anschlußpunkt für zusätzliche Kompensationsschaltungselemente aufweist, wobei
b) die Transistorschaltung einen Transistor enthält, dessen Basis über einen Widerstand mit dem Kollektor und mit einem weiteren Widerstand mit dem Emitter verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß
c) der Anschlußpunkt (5) direkt mit der Basis des Transistors (TR) der Transistorschaltung (2) verbunden ist und
d) an den Anschlußpunkt (5) eine Diode (D) mit ihrem einen Anschluß (6) angeschlossen ist, die
e) mit ihrem anderen Anschluß (7) über einen einstellbaren Spannungsteiler mit der Speisespannungsquelle in Verbindung steht (Fig. 1).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
f) der Spannungsteiler einen einstellbaren Widerstand (P) enthält, der
f1) an die beiden Pole (3, 4) der Speisespannungsquelle und
f2) mit seinem Abgriff (8) über einen Diodenvorwiderstand (R3) an den anderen Anschluß (7) der Diode (D) angeschlossen ist (Fig. 1).
EP82730109A 1981-09-08 1982-08-12 Schaltungsanordnung mit einem Messumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer Expired EP0074919B1 (de)

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AT82730109T ATE13730T1 (de) 1981-09-08 1982-08-12 Schaltungsanordnung mit einem messumformer, insbesondere mit einem halbleiter-druckaufnehmer.

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DE19813135974 DE3135974A1 (de) 1981-09-08 1981-09-08 Schaltungsanordnung mit einem messumformer, insbesondere mit einem halbleiter-druckaufnehmer
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EP0074919A1 EP0074919A1 (de) 1983-03-23
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EP82730109A Expired EP0074919B1 (de) 1981-09-08 1982-08-12 Schaltungsanordnung mit einem Messumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer

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JPS5855815A (ja) 1983-04-02
DE3264047D1 (en) 1985-07-11
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