眾所周知，p-n結二極管是最高約200℃的低溫精密溫度計的基礎。流經二極管的電流保持恒定，二極管上的電壓則提供了溫度指示。恒定電流的幅值通常選小的，以便最大限度地減少二極管的自熱效應。二極管電壓隨溫度降低呈線性下降，因此有必要使用運放調節(jié)電路實現直接讀數。輸出校準使用電壓基準實現。

在這個設計想法中，以恒定電流驅動的p-n結二極管概念是推導出來的，基本上取消了電壓基準和運放。最終可以形成一個簡單但高度精確的與溫度呈比例的獨特電路實現。本文還推薦了一些有趣的應用。電路的工作基于開關機制，允許兩個交替的恒定電流流經二極管。這種方法用數學方法很容易理解，不過本文省略了一些細節(jié)。首先來看肖特基二極管公式：

上述公式給出了流經p-n結二極管的電流(I)與二極管上的電壓(V)、溫度(T)和二極管半導體材料的理想因子(n)之間的關系。k是波茲曼常數，q是電量。In項是二極管反向飽和電流中與溫度無關的部分。在報道的實驗[1]中，一個硅1N4148二極管由電流I1和恒流I2先后交替驅動，過渡發(fā)生在溫度T點。

圖1顯示了兩個電流對二極管電壓的影響，其中二極管在恒溫水槽中從溫度T0開始冷卻。理論上，AB和CD線段向后延伸可以達到絕對零度(-273℃)。然而，二極管中的雜質和其它效應限制了電路只能工作到-200℃左右。

圖1：直接均方根讀數溫度計的工作原理。

在溫度T點，兩個依次開關的電流的使用將產生數據對：(T, I1, V1)和(T, I2, V2)。將這對數據置入肖特基公式可以很容易發(fā)現理想因子項中的壓差ΔV=V1(T)-V2(T)：

給定二極管的理想因子一般是常數，1N4148二極管的理想因子為1.9[1]。據觀察，硅二極管的電路可預測性要好于鍺二極管。在上個公式中，n、q/kT和ln(I1/I2)這幾項都是常數，我們可以用一個新的常數b將這個公式改寫為：

ΔV(T)=bT，其中T的單位是開爾文

因此只要在測量溫度點電流按比例開關，給定溫度T點的電壓差就直接正比于溫度。開關切換時間要小于溫度可能改變的時間。為了獲得更高的測量精度，在感興趣的溫度點的電壓差ΔV要大。圖1就建議大的I1/I2比值，但如果I1太大的話，自身產熱會上升。圖2顯示了一種創(chuàng)新的開關型恒流鏡像電路，該電路由晶體管Q1和Q2組成，其中輸出電流在D1中進行了鏡像。

圖2：開關型恒流源。

在圖2中，Q2的負載電阻通過額外晶體管Q3切入或切出集電極，而Q3則由50%占空比的時鐘源V3進行驅動。這樣負載電阻就是可變的，當V3=5V時負載電阻值為R1，當V3=0V時值為(R1+R2)。圖2中顯示的值給出了20.14μA或111.38μA這兩個鏡像電流。將所有常數代入壓差公式得到：

ΔV(T)=2.8×10-4T

根據這個公式可以預測，溫度在-200℃時輸出ΔV=20.5mV，25℃時為83.4mV，200℃時為132.0mV。使用運放的放大電路可以將輸出提升到要求的水平。

在最終電路中，時鐘源可以是接近50%占空比的555非穩(wěn)態(tài)時鐘，或嵌入式控制器的PWM輸出。設計在10kHz處進行了測試。二極管電壓在V1和V2之間切換，因此固有直流電平可以使用具有低截止頻率(比如2Hz)的簡單RC網絡進行濾除。

濾波可以確保方波輸出，并且可以忽略峰值電平衰減，不會引入頻率相關性。輸出隨后可以用交流模式的真正均方根數字電壓表在圖3中的“out1”端讀出。

圖3：均方根輸出直接正比于溫度的功能性電路。

工作頻率上限是二極管開關響應變得遲緩時的值?？梢詫崿F多種讀數增強功能。例如，將單位增益檢波器或精密全波整流器[2]連接到濾波器輸出端，確保輸出是正的，并且在圖3中的“out2”處得到與溫度呈比例的峰值和均方根值。

這種電路的可能應用有直接讀數的超線性寬范圍溫度計、閉環(huán)溫度控制以及溫度數據采集。將濾波后的輸出波形對高頻載波進行幅度調制是一種有趣的應用。如果去掉RC濾波器、二極管直流中心電壓先緩沖然后應用到線性VCO中的調諧變容二極管還可以實現溫度對頻率的調制。頻率偏差則直接正比于溫度。