CIRCUIT WITH A MEASURING TRANSDUCER, IN PARTICULAR WITH A SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR

Abstract: 1. A circuit arrangement having a measuring transducer, in particular a semiconductor pressure receiver, having a) a transistor circuit a1) by means of which the measuring transducer is connected to a supply voltage source which has a constant voltage value and which a2) comprises switching elements for the compensation of temperature influences upon the measuring voltage of the measuring transducer and which a3) possesses a connection point for additional compensation switching elements, where b) the transistor circuit comprises a transistor whose base is connected to the collector via an impedance and to the emitter by means of a further impedance, characterised in that c) the connection point (5) is directly connected to the base of the transistor (TR) of the transistor circuit (2) and d) a diode (D) has one terminal (6) connected to the connection point (5), and e) its other terminal (7) connected to the supply voltage source by means of an adjustable voltage divider (Fig. 1).

Description: Schaltungsanordnung mit einem Messumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer 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 Mess- umformers 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 Halblei r ter-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 Mess umformers, vor allem zur Nullpunktkompensation bei keiner Druckwirkung auf den Druckaufnehmer, vorgenommen werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs- anordnung mit einem MeBumformer 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 Anderung der Messspannung aufgrund der nichtlinearen Knici;Xennlinie der Diode gewährleistet. EMI2.1 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: UB-Us E+ 00024(T-200 > -2,4 . 10 6(T-20 )2 (1) Die Spannung U5 stellt bei der obigen Gleichung die konstante Spannung der Speisespannungsquelle dar; die dimensionslosen Faktoren sind aufgrund der charakteristischen Daten der piezoresistiven Elemente des Messumfor- mers ermittelt; mit dem Faktor (T-200) ist die Anderung der variablen Temperatur T als Abweichung von einer vorgegebenen mittleren Temperatur =200 C darstellt. Bei der oben angegebenen Gleichung (1) stellt der rechte Summand auf der rechten Seite der Gleichung einen quadratischen Anteil im Verlauf von U 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=200C (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 Be- messung 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 Mess spannung 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 Nessspannung 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 Tran sistor TR, dessen Kollektor mit dem Pol 3 der Speisespannungsquelle und dessen Emitter mit dem Messumfor mer 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: B = US-UBE(1+ R1 72 (2) Eine differentielle Änderung (TK-) der Spannung UB über der Temperatur T lässt sich wie folgt darstellen: EMI6.1 Für den Fall, dass die Spannung UBE abhängig vom Tempert¯ tureinfluss der Temperatur T einen solchen Wert aufweist, dass die Diode D in den leitenden Bereich übergeht - hier zum Beispiel bei Temperaturen grösser als 200 -, so ändert sich das Verstärkungsverhalten des Transistors TR derart, dass nunmehr die Spannung UB in der folgenden Weise darstellbar ist: : EMI6.2 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: EMI6.3 Setzt man die beiden für die beschriebenen Temperaturbereiche dargestellten Änderungen (TK+, TK-) der Spannung UB zueinander ins Verhältnis, so ergibt sich TK- 1 + R1 (6) TK- = 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 rechte winklige Knickkennlinie, d. h. einen steilen Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand hat, in der Praxis man jedoch davon ausgehen kann, dass der Über- gang 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 UB, 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 T0 = + 200 C liegt. Der Temperaturwert ist in die Mitte eines Temperaturbereichs von Tmin = - 30 und Tmax = + 700 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 niohtlinearen Anteils des Temperatureinflusses auf die Messspannung UM weitgehend erreichbar ist. 2 Patentansprüche 2 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung mit einem Messumformer, insbesondere mit einem Halbleiter-Druckaufnehmer, und mit a) einer Transistorschaltung, al) über die der Messumformer an eine Speisespannungs quelle mit konstantem Spannungswert angeschlossen ist, die a2) Schaltungselemente zur Kompensation von Temperatur einflüssen auf die Messspannung des Messumformers enthält und die a3) einen Anschlusspunkt für zusätzliche Kompensations schaltungselemente 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass c) der Anschlusspunkt (5) direkt mit der Basis des Tran sistors (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 (T) über einen einstell baren Spannungsteiler mit der Speisespannungsquelle in Verbindung steht. (Fig. 1) 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass f) der Spannungsteiler einen einstellbaren Widerstand (P) enthält, der f1) an die beiden Pole (3, 4) der Speisespannungs quelle und f2) mit seinem Abgriff (8) über einen Diodenvorwider stand (R3) an den anderen Anschluss (7) der Diode (D) angeschlossen ist. (Fig. 1)

Inventors: BUCHHOLZ, UDO-FRITZ, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: G05F3
IPC codes: G01L9, G01B7, G05F3, G01R15, G01D3