数字温度传感器

2004年4月A版

　　一般温度传感器有热敏电阻、RTD(电阻温度检测器)、热电偶等。热敏电阻长期受欢迎是因为它具有非常小的形状因数、低成本和高灵敏度。其不足之处是有限的温度范围以及缺乏业界标准，使得置换困难。热敏电阻也需要补偿电路来克服非线性度。RTD通常用于精度和稳定度要求高的场合，但成本是决定因素。热电偶用于监控极值温度是理想的，但精度和稳定度较差，而且必须非常精确地在控制条件下测试。

　　由于IC技术的发展，设计人员可用数字温度传感器替代分立温度传感器。数字温度传感器具有价格低、高精度、适用微型封装、能工作在宽温度范围内等优点。在很多应用中，数字温度传感器正开始替代前面所述的传感器。几种温度传感器的性能比较见表1。

数字温度监控

　　相对于模拟传感器，数字温度检测器完全是自己独立完成工作，不需要另外的电路用于信号调理或线性化。数字温度检测器可以直接连接到微控制器，节省了设计时间、PCB面积和成本。它们可以灵活地降低电流消耗，这对于电池供电的应用特别有用。用户也可以编程温度限制值(THIGH和TLOW)，以供报警需求。若超过编程限值，可产生中断，使微控制器进行操作。很多IC设计系统为了节省板大小和降低成本，把ADC和DAC集成在单芯片中。有的还具有内置算法，用于消耗最大功率和保持噪声最小时驱动风扇处在最佳速度。这种传感器对闭环应用特别有用。

数字温度传感器

　　数字温度传感器是基于以下原理：二极管连接的晶体管基极-发射极电压VBE与其温度成正比，在工作温度范围内，VBE呈现大约-2 mV/℃负温度系数。实际上，VBE绝对值随晶体管而异。为使这些变化为零，电路必须校准每个晶体管。解决此问题的通用方法是当两个不同电流密度加到晶体管发射极时比较晶体管ΔVBE变化(见图1)。用下式求出温度：

                     (1)

　　用I1=NI2代入上式，得到：

                            (2)

　　其中N：I1/I2电流比，K：波耳兹曼常数，q:电荷，T：开氏绝对温度。

　　N，K和q 都是已知常数，所以得到：

　　ΔVBE=(constant)(T)

　　或T=(constant)(ΔVBE)

　　在图1 中配置晶体管的偏置二极管防止来自测量干扰的地噪声。来自感测晶体管的最大ΔVBE为几十毫伏，所以，需要增益极对信号进行有效处理，达到ADC要求。增益级用开关电容器电路和斩波器放大器。ADC转换与绝对温度成比例的模拟信号为数字字(℃表示)。

　　在上述工作原理的描述中，数字温度感测IC包含感测晶体管。此方法通常称之为本地温度感测。也可以把晶体管扩展到IC，这种配置通常称之为远程温度感测(见图2)。当用外部晶体管时，必须在方程1和方程2中增加一个额外参量。此参量是晶体管的理想因数nf，nf是晶体管理想性能偏差的量度。远程温度感测方程为：

                     (3)

　　nf不是常数，所以导致温度读数误差。某些数字温度传感器是在工厂调节补偿特定的nf值。例如，调节ADM1032 nf值为1.008。若所用晶体管不能匹配1.008，则可用下式计算所引起的误差(T℃)：

       (4)

　　此外补偿误差可写入ADM1032的寄存器，并自动加到所测温度中。

　　在用远程温度测量时，标准PNP晶体管(即2N3906)可配置成二极管。其工作完全类似本地温度传感器。在信号通路中包含一个低通滤波器(fc=65KHz),这是由于远程晶体管外加到IC上，会从D+或D-(传感器与远程热晶体管的连线)线上拾取噪声。为了最佳的性能，应把远程晶体管放置在靠近温度测量IC的D+和D-引脚处，若有适当的保护措施，远程晶体管可以放置在距D+和D-引脚几英尺的地方。若远程热二极管不在PCB中，则保护措施需要用屏蔽双绞线缆线。若二极管在同一PCB上，则D+和D-走线应与地平板并行，使噪声远离。

　　用远程感测晶体管所引起的一个主要误差源是D+和D-线的串联电阻。此串联电阻会引起偏移电压，在用2电流温度传感器时必须单独地校准它。用板上IC的补偿寄存器使这种偏移电压为零，在定标远程晶体管之后由用户进行编程。PCB上的漏电也对温度误差有影响，应使PCB布线最佳化。

温度传感器应用

　　数字温度传感器可使系统中的主要器件更有效地跟踪温度分布。温度传感器正在变得更精确(