數字溫度傳感器

2004年4月A版

　　一般溫度傳感器有熱敏電阻、RTD(電阻溫度檢測器)、熱電偶等。熱敏電阻長期受歡迎是因為它具有非常小的形狀因數、低成本和高靈敏度。其不足之處是有限的溫度范圍以及缺乏業界標準，使得置換困難。熱敏電阻也需要補償電路來克服非線性度。RTD通常用于精度和穩定度要求高的場合，但成本是決定因素。熱電偶用于監控極值溫度是理想的，但精度和穩定度較差，而且必須非常精確地在控制條件下測試。

　　由于IC技術的發展，設計人員可用數字溫度傳感器替代分立溫度傳感器。數字溫度傳感器具有價格低、高精度、適用微型封裝、能工作在寬溫度范圍內等優點。在很多應用中，數字溫度傳感器正開始替代前面所述的傳感器。幾種溫度傳感器的性能比較見表1。

數字溫度監控

　　相對于模擬傳感器，數字溫度檢測器完全是自己獨立完成工作，不需要另外的電路用于信號調理或線性化。數字溫度檢測器可以直接連接到微控制器，節省了設計時間、PCB面積和成本。它們可以靈活地降低電流消耗，這對于電池供電的應用特別有用。用戶也可以編程溫度限制值(THIGH和TLOW)，以供報警需求。若超過編程限值，可產生中斷，使微控制器進行操作。很多IC設計系統為了節省板大小和降低成本，把ADC和DAC集成在單芯片中。有的還具有內置算法，用于消耗最大功率和保持噪聲最小時驅動風扇處在最佳速度。這種傳感器對閉環應用特別有用。

數字溫度傳感器

　　數字溫度傳感器是基于以下原理：二極管連接的晶體管基極-發射極電壓VBE與其溫度成正比，在工作溫度范圍內，VBE呈現大約-2 mV/℃負溫度系數。實際上，VBE絕對值隨晶體管而異。為使這些變化為零，電路必須校準每個晶體管。解決此問題的通用方法是當兩個不同電流密度加到晶體管發射極時比較晶體管ΔVBE變化(見圖1)。用下式求出溫度：

                     (1)

　　用I1=NI2代入上式，得到：

                            (2)

　　其中N：I1/I2電流比，K：波耳茲曼常數，q:電荷，T：開氏絕對溫度。

　　N，K和q 都是已知常數，所以得到：

　　ΔVBE=(constant)(T)

　　或T=(constant)(ΔVBE)

　　在圖1 中配置晶體管的偏置二極管防止來自測量干擾的地噪聲。來自感測晶體管的最大ΔVBE為幾十毫伏，所以，需要增益極對信號進行有效處理，達到ADC要求。增益級用開關電容器電路和斬波器放大器。ADC轉換與絕對溫度成比例的模擬信號為數字字(℃表示)。

　　在上述工作原理的描述中，數字溫度感測IC包含感測晶體管。此方法通常稱之為本地溫度感測。也可以把晶體管擴展到IC，這種配置通常稱之為遠程溫度感測(見圖2)。當用外部晶體管時，必須在方程1和方程2中增加一個額外參量。此參量是晶體管的理想因數nf，nf是晶體管理想性能偏差的量度。遠程溫度感測方程為：

                     (3)

　　nf不是常數，所以導致溫度讀數誤差。某些數字溫度傳感器是在工廠調節補償特定的nf值。例如，調節ADM1032 nf值為1.008。若所用晶體管不能匹配1.008，則可用下式計算所引起的誤差(T℃)：

       (4)

　　此外補償誤差可寫入ADM1032的寄存器，并自動加到所測溫度中。

　　在用遠程溫度測量時，標準PNP晶體管(即2N3906)可配置成二極管。其工作完全類似本地溫度傳感器。在信號通路中包含一個低通濾波器(fc=65KHz),這是由于遠程晶體管外加到IC上，會從D+或D-(傳感器與遠程熱晶體管的連線)線上拾取噪聲。為了最佳的性能，應把遠程晶體管放置在靠近溫度測量IC的D+和D-引腳處，若有適當的保護措施，遠程晶體管可以放置在距D+和D-引腳幾英尺的地方。若遠程熱二極管不在PCB中，則保護措施需要用屏蔽雙絞線纜線。若二極管在同一PCB上，則D+和D-走線應與地平板并行，使噪聲遠離。

　　用遠程感測晶體管所引起的一個主要誤差源是D+和D-線的串聯電阻。此串聯電阻會引起偏移電壓，在用2電流溫度傳感器時必須單獨地校準它。用板上IC的補償寄存器使這種偏移電壓為零，在定標遠程晶體管之后由用戶進行編程。PCB上的漏電也對溫度誤差有影響，應使PCB布線最佳化。

溫度傳感器應用

　　數字溫度傳感器可使系統中的主要器件更有效地跟蹤溫度分布。溫度傳感器正在變得更精確(