12 июня 2011 года мир аналоговой электроники потерял звезду, когда умер его гуру Джеймс М. Уильямс (James M. Williams). Сотни статей, книг и руководств по применению, написанных Джимом были (и продолжают оставаться) бездонным источником информации, вдохновения и радости от созерцания умело решенных мастером сложных конструкторских головоломок, и все это в обертке восхитительного авторского стиля. Представленная здесь идея взята из одной из его схем, опубликованных на странице 7 руководства AN45 [1].
В этом руководстве по применению Джим обсуждает привлекательность использования температурного коэффициента напряжения база-эмиттер транзистора (VBE) в качестве недорогого датчика температуры, но отмечает, что на практике его полезность ограничена непредсказуемым разбросом VBE от транзистора к транзистору. Он объясняет, почему эта проблема требует первоначальной калибровки транзисторного датчика (и повторной калибровки, если датчик когда-либо будет нуждаться в замене), что в основном сводит на нет любое ожидаемое удобство и экономию средств.
Тогда Джим спасает положение гениальным решением.
Оказывается, говорит Джим, что, хотя напряжение VBE случайного транзистора на постоянном токе не предсказуемо и бесполезно, изменение VBE биполярного транзистора при изменяющемся токе очень предсказуемо. В частности, оно надежно описывается этой простой логарифмической формулой:
где TABS – абсолютная температура в градусах Кельвина, I1 и I2 – два значения тока. Поэтому при использовании ∆VBE в качестве термометра
если
Обратите внимание на замечательную (и легко запоминающуюся) константу «пятьдесят на пятьдесят»!
Джим применяет эту взаимосвязь в схеме на Рисунке 1, в которой через включенный диодом n-p-n транзистор Q2 периодически попускаются два разных тока с соотношением значений 10:1, Схема синхронно выпрямляет результирующий сигнал переменного тока 198 мкВ/K, а затем усиливает и смещает выпрямленное напряжение, чтобы получить выходной сигнал от 0 до 10 В, соответствующий диапазону температур от 0 до 100 °C; при этом калибровка конкретного транзистора датчика не требуется.
 | |
| Рисунок 1. | Термометр Джеймса Уильямса на основе ∆VBE. |
Я успешно использовал «пятьдесят на пятьдесят» во многих термометрических приложениях и здесь предлагаю новую вариацию этой идеи – генератор-преобразователь градусов Кельвина в микросекунды (Рисунок 2).
 | |
| Рисунок 2. | Генератор – измеритель абсолютной температуры. |
Соотношение токов для получения ∆VBE, равное 16:1, здесь устанавливается парой резисторов R3/R4 (плюс небольшой вклад R1+R2 от цепи интегратора). Переключение токов создает на выводе 7 интегратора A2 периодические скачки напряжения ∆VBE, пропорциональные температуре:
всякий раз, когда компаратор A1 переключает MOSFET Q2. Я выбрал большее соотношение токов 16:1 вместо 10:1, чтобы упростить обработку сигнала операционными усилителями и снизить значение некоторых вторичных потенциальных источников ошибок. Конденсатор C2 создает положительную обратную связь, обеспечивающую быстроту и чистоту переключений компаратора.
Затем после скачка выходное напряжение интегратора A2 линейно возвращается обратно к установленному усилителем A1 значению 500 мВ, как показано на Рисунке 3, формируя симметричные полупериоды длительностью T = 10 мкс/K, равные 3 мс при 300 K (27 °C).
 | |
| Рисунок 3. | Формы сигналов генератора-термометра. |
Подстроечный резистор R1 обеспечивает одноточечную компенсацию, в основном разброса емкости конденсатора интегратора C1 и отклонений VDD. Хотя, как отмечается в руководстве Уильямса, сам транзистор датчика Q1 не нуждается в калибровке. После того, как настройка выполнена, возвращаться к этой процедуре не нужно, даже после замены транзисторов Q1.
Выходной сигнал 0/5 В генератора термометра можно легко преобразовать в цифровое значение температуры с помощью стандартного таймера микроконтроллера. При частоте 1 МГц разрешение преобразования за один полупериод колебаний Т составляет 0.1°.
Очевидно, в схеме Джима каким-то образом проскользнула опечатка. Пара резисторов, которая устанавливает соотношение токов 10:1 и, следовательно, должна иметь отношение сопротивлений 9:1, на схеме Джима имеет сопротивления 549 кОм и 49.9 кОм, отношение которых составляет 11:1, что соответствует отношению токов 12:1. Это значит, что масштабный коэффициент будет равен 214 мкВ/К вместо заявленного 198 мкВ/К. Я не знаю, существует ли редакция документа, в которой эта незначительная 8-процентная ошибка исправлена, но я взял на себя смелость сделать это простое исправление самостоятельно. Кроме того, не нужен транзистор Q1.