ESD二极管兼作温度传感器

问：根据数据手册规格估算高速放大器的结温有多准确？结温是否易于测量？

答：许多年前，我和一位应用工程师同事谈到了从环境温度（T一个）、功耗（PD），和热阻 θJA），如公式1所示。

TJ = TA + PDθJA          (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来获得常用3端子稳压器的结温。他的公司在日常测试和评估期间使用保护二极管测量稳压器的结温。这种温度检测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）的损坏。二极管 D1 和 D2 保护高速运算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。

图1.静电放电和输入保护二极管

使用二极管作为温度传感器的原理很简单。施加恒定电流时，二极管或PN结两端的电压将随温度下降约1至2 mV/°C。电压随温度的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管芯温度。

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来表征，该温度室向ESD二极管结施加恒定电流（选择0.5 mA以避免自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，然后记录二极管两端的电压。在 –40°C 和 +85°C 下重复此操作。 取三个点后，可以确定斜率。

图2.ESD二极管热校准框图

二极管电压随温度变化的表达式是使用公式2的点斜率形式推导的。然后可以轻松计算任何二极管电压的温度。

y –y1= m（x – x1)                         (2)

使用上述程序评估AD8063通用300 MHz轨到轨放大器上的ESD二极管，产生的斜率为–1.2 mV/°C。 代入公式2，得到：

y = –0.0012x V/°C + 0.887 V （3）

求解 x 后，可以根据电压读数计算芯片温度：

x = –833.3y °C/V + 739.2°C （4）

接下来，AD8063的功耗设置为1/4 W;这种耗散提供了足够的电压摆幅来精确测量二极管电压的变化。AD5采用+3 V和–8063 V电源供电，配置为驱动20 Ω负载，如图3所示。放大器的静态电流为5.5 mA，因此空载时功耗为44 mW。将 1V 直流信号施加到输入端，在输出端产生 50mA 负载电流。输出晶体管两端的压降为4 V。负载为50 mA时，放大器再耗散200 mW，总功耗为244 mW。AD8063加热几分钟。电路切换回图2所示配置，并读取二极管电压。平均电压为817 mV，相当于结温为58.4°C。

图3.250 mW 功耗测试设置

为了验证结果，使用红外热像仪测量外壳温度。根据我们的封装工程师的说法，结温比外壳温度高约1°C至2°C。红外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和θJA计算结温贾230°C/W（来自AD8063数据手册）导致结温为83.7°C，相差43%！工作公式 1 向后提供实际 θJA约130°C/W。θJA本数据表中非常保守，可确保坚固可靠的设计。对于更真实的结温，ESD二极管测量技术被证明是获得精确芯片温度的合理方法。

审核编辑：郭婷