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(cháng)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(yè)界標準，使得置換困難。熱敏電阻也需要補償電路來(lái)克服非線(xiàn)性度。RTD通常用于精度和穩定度要求高的場(chǎng)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(shù)的發(fā)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(jià)格低、高精度、適用微型封裝、能工作在寬溫度范圍內等優(yōu)點(diǎn)。在很多應用中，數字溫度傳感器正開(kāi)始替代前面所述的傳感器。幾種溫度傳感器的性能比較見(jiàn)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(xiàn)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(shí)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(hù)也可以編程溫度限制值(THIGH和TLOW)，以供報警需求。若超過(guò)編程限值，可產(chǎn)生中斷，使微控制器進(jìn)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(shí)驅動(dòng)風(fēng)扇處在最佳速度。這種傳感器對閉環(huán)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(fā)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(shí)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(gè)晶體管。解決此問(wèn)題的通用方法是當兩個(gè)不同電流密度加到晶體管發(fā)射極時(shí)比較晶體管ΔVBE變化(見(jiàn)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(kāi)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(lái)自測量干擾的地噪聲。來(lái)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(jìn)行有效處理，達到ADC要求。增益級用開(kāi)關(guān)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(chēng)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(chēng)之為遠程溫度感測(見(jiàn)圖2)。當用外部晶體管時(shí)，必須在方程1和方程2中增加一個(gè)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(chǎng)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(xiě)入ADM1032的寄存器，并自動(dòng)加到所測溫度中。

　　在用遠程溫度測量時(shí)，標準PNP晶體管(即2N3906)可配置成二極管。其工作完全類(lèi)似本地溫度傳感器。在信號通路中包含一個(gè)低通濾波器(fc=65KHz),這是由于遠程晶體管外加到IC上，會(huì )從D+或D-(傳感器與遠程熱晶體管的連線(xiàn))線(xiàn)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(xiàn)纜線(xiàn)。若二極管在同一PCB上，則D+和D-走線(xiàn)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(gè)主要誤差源是D+和D-線(xiàn)的串聯(lián)電阻。此串聯(lián)電阻會(huì )引起偏移電壓，在用2電流溫度傳感器時(shí)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(hù)進(jìn)行編程。PCB上的漏電也對溫度誤差有影響，應使PCB布線(xiàn)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(