溫度傳感器項目：模擬溫度傳感器IC

2021-01-25

我們將在一系列有關測量溫度的文章中探討第四類溫度傳感器。在 簡介中，我們創建了一組項目模板，使我們能夠開發可堆疊的，模擬的或數字的傳感器卡，以測試不同類型的溫度傳感器。在本系列的最后，我們將為它們構建一組主板，這將使我們不僅可以比較不同傳感器類型的性能和準確性，還可以比較這些傳感器的各種實現。 

在本系列中，我們將研究各種溫度傳感器。我們將討論它們的優缺點以及實現它們的常見拓撲。該系列將涵蓋：

負溫度系數（NTC）熱敏電阻

正溫度系數（PTC）熱敏電阻

電阻溫度檢測器（RTD）

模擬溫度傳感器IC

數字溫度傳感器IC

熱電偶

今天，我們正在研究模擬溫度傳感器集成電路-與前面的文章不同，每個電路只有一種實現。這些集成電路負責使用電阻元件進行溫度感應時必須照顧好自己的所有線性化和放大。這些傳感器內部可能具有多種不同的拓撲和傳感器類型，但是它們的內部實現對我們而言并不重要。它們都提供相對線性的輸出，非常適合直接與微控制器的模數轉換器（ADC）或模擬電路一起使用。

您可能需要少量的支持組件，它們的高精度和方便的輸出電壓，所以您可能會認為，使用模擬傳感器IC會比使用我們已經看過的一種分立式傳感元件實現自己的成本高得多。在。通常，情況恰恰相反。通常，您可以向電路中添加模擬溫度傳感器IC，其成本要比基于分立元件的溫度傳感器的最基本實現（除了最基本的實現方式）低，而且輸出的精度和線性度要高得多。

與我的所有項目一樣，您可以在GitHub上找到該項目的詳細信息，原理圖和電路板文件，  以及其他溫度傳感器實現。該項目是根據MIT開源許可證發布的，該許可證允許您根據需要將設計或其中的任何部分用于個人或商業目的。

上面是您閱讀的PCB設計，這是 一種免費的方式與您的同事，客戶和朋友聯系，只需單擊一下按鈕即可查看設計或下載！只需幾秒鐘即可上傳您的設計，并采用交互方式深入了解外觀，而無需使用任何笨重的軟件或計算機。 

模擬溫度傳感器IC

鑒于我們在前面的文章中介紹了以前的傳感器類型的許多實現選項，因此到這一點，您可能會認為，使用無源組件時，感測溫度非常困難。如果您只需要一個與溫度密切相關的簡單線性電壓，那么最好看一下模擬溫度傳感器。模擬電壓允許您使用微控制器ADC引腳來采樣溫度?；蛘?，您可以使用輸出為其他模擬電路（例如比較器）供電，以提供溫度控制或安全功能，而無需使用微控制器或其他數字設備。

在內部，這些傳感器的工作原理通常與我們之前看過的無源組件非常相似。但是，它們具有內置補償以線性化其輸出。當輸出小于完全線性時，數據表通常會包含一個公式，以允許將電壓精確轉換為溫度，而無需實驗室測試傳感器來確定補償變量。與鑒定使用電阻元件和運算放大器或儀表放大器構建的電路相比，這極大地簡化了工程過程。

盡管有這樣的便利，但模擬集成電路溫度傳感器比我們研究過的無源元件便宜，并且具有相當的精度/精密度，對于除分壓器以外的任何實現方式的成本，您都可以購買模擬傳感器。與RTD相比，IC的感測溫度范圍受到更大的限制，但它們與熱敏電阻的廣告范圍相似。傳感器中的硅以及它們傾向于被焊接到電路板或電線上的事實將成為最高溫度的限制因素，盡管如此，最小和最大感測范圍通?？梢月湓?span>-55°C至150°C之間C。對于大多數需要在其他電子設備正在運行的位置檢測環境條件的項目，該溫度范圍應該足夠。

在本項目中，我們將介紹三種具有不同工作溫度和精度以及寬輸入電壓范圍的傳感器。

名稱	LMT87DCKT	LM62	MAX6605MXK
類型	模擬量	模擬量	模擬量
a傳感溫度最小值（°C）	-50°攝氏度	0°攝氏度	-55°攝氏度
最高感測溫度（°C）	+ 150°攝氏度	+ 90°攝氏度	+ 125°攝氏度
準確度（°C）	±0.4°C（最大±2.7°C）	±3°攝氏度	±3°C（±5.8°C）
感應范圍	本地	本地	本地
分辨率/傳感器增益（mV /°C）	13.6毫伏/°C	15.6毫伏/°C	11.9毫伏/°C
工作溫度（℃）	-50°C至+ 150°C	0°C至+ 90°C	-55°C至+ 125°C
最小電源電壓（V）	2.7伏	2.7伏	2.7伏
最大電源電壓（V）	5.5伏	10伏	5.5伏
消耗電流（uA）	5.4?8.8微安	約130 uA	4.5?10微安
制造商	TI	TI	Maxim集成
包	SC-70-5	SOT-23-3	SC-70-5

選擇這些設備是為了展示各種價格和性能點。在本系列的最后一篇文章中，我們將使它們超出其工作溫度額定值，以查看它們在整個感測范圍內及以后如何響應。

模擬傳感器實現：Texas Instruments LMT87DCKT

德州儀器（TI）的LMT87是小型SC-70尺寸的CMOS溫度傳感器。在我們正在為該項目研究的所有模擬傳感器中，LMT87的典型精度最高，為0.4％。但是，即使是最差情況下的+/- 2.7°C精度也仍然領先于其他傳感器。盡管它的靜態電流也比其他電流低，但至少在使用2.7 V電源時，它的上電時間也僅為0.7毫秒。如果您只是在進行溫度測量之前就對它重新通電，這將使其具有更高的功率效率，這使其成為低功率/功率受限應用的理想傳感器 。由于器件的功耗非常低，因此可以直接由微控制器或其他邏輯器件供電，而不必擔心超過IO引腳的最大額定值。對于較低電壓的應用，LMT8x系列器件還有更多選擇，可支持低至1.5V的電源工作，但隨著電源電壓范圍的減小，增益也隨之降低。

值得注意的是，LMT87也提供汽車認證的版本，這對某些用戶可能有用。

為了實現該傳感器，我添加了一個去耦電容器和一個輸出電容器。數據表規定兩者都不是必需的；但是，我們希望讓這種傳感器有最好的機會在我們的測試中發光。并非嚴格需要輸出電容器，但它可以使SAR到ADC在采樣時汲取電流突發。如果溫度傳感器無法提供所需的瞬時電流以將輸出電壓保持在用于溫度讀數的位置，則它不會對讀數產生負面影響。這兩個電容器的零件號已經在該系列的其他項目中使用，因此不會顯著增加總成本或需要訂購的組件數量。

數據表請為我們使用的組件的表面貼裝變體提供建議的布局；但是，我略有偏離。數據表中建議連接到接地層和電源層，而我連接到走線。我并不是真的想在底層添加地面填充物，因為它可能會影響溫度測試/比較的結果，我們將在本系列的后面部分進行此測試。在LMT87傳感器下但不在我們使用的任何其他傳感元件下都存在熱質量/傳導率的地面傾倒物，這可能會影響結果。因此，它無法準確顯示傳感器性能。

在3D視圖中，您可以看到我將傳感器放置在與本系列文章先前所做的其他設計相同的位置。我將電源去耦電容器放在IC旁邊。但是，我將模擬輸出的去耦電容器放在連接器旁邊，這可以發揮最大的作用。

板的形狀和連接全部由我們在本系列的第1部分“溫度傳感器項目：簡介”中創建的項目/板模板提供 。

模擬傳感器實現：Texas Instruments LM62

德州儀器（TI）LM62自90年代末以來一直存在，但今天仍然適用。盡管其準確性和感測范圍不如其他傳感器，但它仍然是許多應用中非常實用的傳感器。我們在上面看過的LMT87比LM62更精確，消耗電流更低，更現代，同時價格也更低，因此為什么要在列表中包括LM62？我認為此練習包含一個仍相對普遍但仍具有可測量的自熱效應和有限的溫度感應范圍的缺點的組件將是很有意思的。 

LM62確實具有一些優勢，例如在15.6 mV /°C時具有更大的傳感器增益，并且工作電壓范圍可擴展至10V。此外，在有限的溫度范圍內，最大感測溫度為90時的輸出電壓°C為1.884V。這使得可以使用運算放大器或儀表放大器來施加額外的增益。如果您使用的是3.3 V微控制器或在較低電壓邏輯器件能力范圍內的完整檢測范圍，則可以在整個檢測范圍內提供更高的增益。

LM62在其感測溫度范圍內還具有出色的線性度，最大偏差僅為0.8°C。

與LMT87一樣，LM62能夠由任何微控制器或邏輯設備的IO引腳供電；盡管其電流消耗明顯更高，但仍僅占微控制器引腳可提供功率的一小部分。

與上述LMT87一樣，我正在為LM62實現可選電容器。LM62不需要在輸入或輸出端安裝去耦電容器；但是，數據表確實建議在嘈雜的環境中使用過濾器。我們構建的評估板實際上不會位于電磁噪聲環境中。但是，LM62的響應時間明顯慢于由1 uF電容器形成的輸出端RC濾波器的時間常數。結果，LM62的整體響應不會受到明顯影響。

我在本文開頭提到，您可能更喜歡使用模擬傳感器而不是數字傳感器，因為它可以更方便地內置到模擬控制電路中。由于我們正在討論實現選項和數據表建議-LM62的數據表中有一個很好的恒溫器示例，該示例可以在控制電路中有很多應用，甚至只需打開風扇或加熱器即可，而無需微控制器的干預。

電路板的布局與LM87非常相似，電源去耦電容靠近傳感器IC，并且傳感器的輸出電壓在堆疊連接器附近解耦。

模擬傳感器實現：Maxim Integrated MAX6605MXK

Maxim Integrated的MAX6605是另一款現代溫度傳感器，采用與LMT87相同的小型SC70封裝。在25°C時，MAX6605的溫度誤差為+/- 0.75°C。但是，在整個范圍內，該誤差最大增加到+/- 5.8°C，這聽起來并不理想，盡管這是針對-55°C至125°C的感測范圍。在大多數家用設備可以正常使用的0°C至70°C范圍內，其溫度誤差為+/- 3.0°C。

驅動一個典型的ADC時，溫度傳感器將消耗約10uA的電流，這與裸片溫度僅比環境溫度高出0.0162°C有關，遠好于我們上面看過的LM62。這種低功耗還使得MAX6605能夠直接由微控制器或其他邏輯器件引腳供電，從而有助于其自動開啟和關閉以優化功耗。

閱讀數據表后，我覺得很有趣，它指出該器件中有572個晶體管。德州儀器（TI）在其溫度傳感器數據表中沒有此級別的信息。盡管如此，它仍然顯示出與我們之前看過的帶有電阻元件和運算放大器的電路相比，集成電路溫度傳感器內部發生了更多的事情。為了進行比較，LM741運算放大器僅包含20個晶體管。這表明盡管溫度傳感器看似非常簡單，但實際上它們是相當復雜的設備。

MAX6605建議使用0.1 uF的輸入去耦電容，而我們研究的其他傳感器都可以在沒有輸入電容的情況下令人滿意地工作。

由于數據手冊中沒有建議增加輸出電容器的建議，因此我不會為MAX6605增加一個電容器。

MAX6605的PCB非常簡潔明了，僅需增加去耦電容和傳感器IC