數(shù)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(shù)、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(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，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(wěn)定度要求高的場合，但成本是決定因素。熱電偶用于監(jiān)控極值溫度是理想的，但精度和穩(wěn)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(shù)的發(fā)展，設(shè)計人員可用數(shù)字溫度傳感器替代分立溫度傳感器。數(shù)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(nèi)等優(yōu)點。在很多應(yīng)用中，數(shù)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(shù)字溫度監(jiān)控

　　相對于模擬傳感器，數(shù)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(diào)理或線性化。數(shù)字溫度檢測器可以直接連接到微控制器，節(jié)省了設(shè)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(yīng)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(chǎn)生中斷，使微控制器進行操作。很多IC設(shè)計系統(tǒng)為了節(jié)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(nèi)置算法，用于消耗最大功率和保持噪聲最小時驅(qū)動風(fēng)扇處在最佳速度。這種傳感器對閉環(huán)應(yīng)用特別有用。

數(shù)字溫度傳感器

　　數(shù)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(fā)射極電壓VBE與其溫度成正比，在工作溫度范圍內(nèi)，VBE呈現(xiàn)大約-2 mV/℃負(fù)溫度系數(shù)。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(zhǔn)每個晶體管。解決此問題的通用方法是當(dāng)兩個不同電流密度加到晶體管發(fā)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(shù)，q:電荷，T：開氏絕對溫度。

　　N，K和q 都是已知常數(shù)，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(dá)到ADC要求。增益級用開關(guān)電容器電路和斬波器放大器。ADC轉(zhuǎn)換與絕對溫度成比例的模擬信號為數(shù)字字(℃表示)。

　　在上述工作原理的描述中，數(shù)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(yuǎn)程溫度感測(見圖2)。當(dāng)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(shù)nf，nf是晶體管理想性能偏差的量度。遠(yuǎn)程溫度感測方程為：

                     (3)

　　nf不是常數(shù)，所以導(dǎo)致溫度讀數(shù)誤差。某些數(shù)字溫度傳感器是在工廠調(diào)節(jié)補償特定的nf值。例如，調(diào)節(jié)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(yuǎn)程溫度測量時，標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程晶體管外加到IC上，會從D+或D-(傳感器與遠(yuǎn)程熱晶體管的連線)線上拾取噪聲。為了最佳的性能，應(yīng)把遠(yuǎn)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(dāng)?shù)谋Ｗo措施，遠(yuǎn)程晶體管可以放置在距D+和D-引腳幾英尺的地方。若遠(yuǎn)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(yīng)與地平板并行，使噪聲遠(yuǎn)離。

　　用遠(yuǎn)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(lián)電阻。此串聯(lián)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(zhǔn)它。用板上IC的補償寄存器使這種偏移電壓為零，在定標(biāo)遠(yuǎn)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(yīng)使PCB布線最佳化。

溫度傳感器應(yīng)用

　　數(shù)字溫度傳感器可使系統(tǒng)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(