最新的ESD二极管可兼作温度传感器

问：根据数据手册规格估算高速放大器的结温有多准确？可以很容易地测量结温吗？

答：很多年前，我和应用工程师一起讨论了从环境温度计算结温的经典方法（T A ），功耗（P D ）和热阻θ JA ），如公式1所示。

T J = T A + P D θ JA （1）

他告诉我一种替代方法，通过使用片上输出级保护二极管作为温度传感器，获得了流行的3端稳压器的结温。他的公司在常规测试和评估过程中使用保护二极管测量稳压器的结温。此温度传感技术也可用于高速运算放大器。

在图1中，二极管D3和D4保护运算放大器免受静电放电（ESD）造成的损坏。二极管D1和D2保护高速运算放大器的输入差分对免受反向电压击穿的破坏性影响。专用二极管和PN结通常用作温度传感器，但ESD和输入保护二极管也可用于测量温度。

使用二极管作为温度传感器的原理很简单。施加恒定电流后，二极管或PN结上的电压将随温度降低约1至2 mV /°C。温度变化可以与查找表或公式一起使用，以计算任何给定二极管电压的温度;在这种情况下，可以确定高速运算放大器的芯片温度。

二极管电压与温度的关系可以通过将放大器放置在温度室中，并将恒定电流施加到ESD二极管结（选择0.5 mA以避免自加热对二极管结的影响），如图2所示。将温度设置为25°C，将器件“浸泡”几分钟，然后记录电压。二极管。在-40°C和+ 85°C重复上述操作。采用三个点，可以确定斜率。

通过使用等式2的点斜率形式得出二极管电压随温度的表达式。任何二极管电压的温度都可以然后很容易计算。

y - y 1 = m（ x - < em> x 1 ）（2）

使用上述步骤评估AD8063通用300 MHz轨到轨放大器上的ESD二极管产生-1.2 mV /°C的斜率。代入等式2，结果如下：

y = -0.0012 x V /°C + 0.887 V（3）

求解x可以从中计算出芯片温度电压读数：

x = -833.3 y °C / V + 739.2°C（4）

接下来， AD8063的功耗为1/4瓦;这种耗散提供足够的电压摆幅，以精确测量二极管电压的变化。 AD8063采用+ 5V和-3V电源供电，可配置为驱动20欧姆负载，如图3所示。放大器的静态电流为5.5 mA，无负载时功耗为44 mW。输入端施加1 V直流信号，输出端产生50 mA负载电流。输出晶体管的压降为4 V.负载为50 mA时，放大器的功耗为200 mW，总功率为244 mW。允许AD8063加热几分钟。电路切换回图2所示的配置，并读取二极管电压。平均电压为817 mV，对应的结温为58.4°C。

为了验证结果，使用红外摄像机测量外壳温度。据我们的封装工程师介绍，结温比外壳温度高约1°C至2°C。 IR测量产生的外壳温度为58.7°C（见图4）。考虑到塑料封装的热效应，结温约为60°C。因此二极管电压和IR测量提供了良好的相关性。

使用公式1计算结温，并且θ JA 为230°C / W（来自AD8063数据表），结温为83.7°C，相差43％！向后的工作方程式1提供大约130℃/ W的实际θ JA 。本数据表中的θ JA 非常保守，确保了稳健可靠的设计。对于更真实的结温，ESD二极管测量技术被证明是获得精确管芯温度的合理方法。

本系列的后续文章将展示ADM1021A系统温度监控器如何使用输入保护二极管直接测量放大器的结温。

作者要感谢Glen Wiegand和Jerry McCarthy帮助他们收集测试数据。