温度传感器项目：模拟温度传感器IC

2021-01-25

我们将在一系列有(yǒu)关测量温度的文(wén)章中探讨第四类温度传感器。在 简介中，我们创建了一组项目模板，使我们能(néng)够开发可(kě)堆叠的，模拟的或数字的传感器卡，以测试不同类型的温度传感器。在本系列的最后，我们将為(wèi)它们构建一组主板，这将使我们不仅可(kě)以比较不同传感器类型的性能(néng)和准确性，还可(kě)以比较这些传感器的各种实现。 

在本系列中，我们将研究各种温度传感器。我们将讨论它们的优缺点以及实现它们的常见拓扑。该系列将涵盖：

负温度系数（NTC）热敏電(diàn)阻

正温度系数（PTC）热敏電(diàn)阻

電(diàn)阻温度检测器（RTD）

模拟温度传感器IC

数字温度传感器IC

热電(diàn)偶

今天，我们正在研究模拟温度传感器集成電(diàn)路-与前面的文(wén)章不同，每个電(diàn)路只有(yǒu)一种实现。这些集成電(diàn)路负责使用(yòng)電(diàn)阻元件进行温度感应时必须照顾好自己的所有(yǒu)線(xiàn)性化和放大。这些传感器内部可(kě)能(néng)具有(yǒu)多(duō)种不同的拓扑和传感器类型，但是它们的内部实现对我们而言并不重要。它们都提供相对線(xiàn)性的输出，非常适合直接与微控制器的模数转换器（ADC）或模拟電(diàn)路一起使用(yòng)。

您可(kě)能(néng)需要少量的支持组件，它们的高精度和方便的输出電(diàn)压，所以您可(kě)能(néng)会认為(wèi)，使用(yòng)模拟传感器IC会比使用(yòng)我们已经看过的一种分(fēn)立式传感元件实现自己的成本高得多(duō)。在。通常，情况恰恰相反。通常，您可(kě)以向電(diàn)路中添加模拟温度传感器IC，其成本要比基于分(fēn)立元件的温度传感器的最基本实现（除了最基本的实现方式）低，而且输出的精度和線(xiàn)性度要高得多(duō)。

与我的所有(yǒu)项目一样，您可(kě)以在GitHub上找到该项目的详细信息，原理(lǐ)图和電(diàn)路板文(wén)件，  以及其他(tā)温度传感器实现。该项目是根据MIT开源许可(kě)证发布的，该许可(kě)证允许您根据需要将设计或其中的任何部分(fēn)用(yòng)于个人或商(shāng)业目的。

上面是您阅读的PCB设计，这是 一种免费的方式与您的同事，客户和朋友联系，只需单击一下按钮即可(kě)查看设计或下载！只需几秒(miǎo)钟即可(kě)上传您的设计，并采用(yòng)交互方式深入了解外观，而无需使用(yòng)任何笨重的软件或计算机。 

模拟温度传感器IC

鉴于我们在前面的文(wén)章中介绍了以前的传感器类型的许多(duō)实现选项，因此到这一点，您可(kě)能(néng)会认為(wèi)，使用(yòng)无源组件时，感测温度非常困难。如果您只需要一个与温度密切相关的简单線(xiàn)性電(diàn)压，那么最好看一下模拟温度传感器。模拟電(diàn)压允许您使用(yòng)微控制器ADC引脚来采样温度。或者，您可(kě)以使用(yòng)输出為(wèi)其他(tā)模拟電(diàn)路（例如比较器）供電(diàn)，以提供温度控制或安全功能(néng)，而无需使用(yòng)微控制器或其他(tā)数字设备。

在内部，这些传感器的工作原理(lǐ)通常与我们之前看过的无源组件非常相似。但是，它们具有(yǒu)内置补偿以線(xiàn)性化其输出。当输出小(xiǎo)于完全線(xiàn)性时，数据表通常会包含一个公式，以允许将電(diàn)压精确转换為(wèi)温度，而无需实验室测试传感器来确定补偿变量。与鉴定使用(yòng)電(diàn)阻元件和运算放大器或仪表放大器构建的電(diàn)路相比，这极大地简化了工程过程。

尽管有(yǒu)这样的便利，但模拟集成電(diàn)路温度传感器比我们研究过的无源元件便宜，并且具有(yǒu)相当的精度/精密度，对于除分(fēn)压器以外的任何实现方式的成本，您都可(kě)以購(gòu)买模拟传感器。与RTD相比，IC的感测温度范围受到更大的限制，但它们与热敏電(diàn)阻的广告范围相似。传感器中的硅以及它们倾向于被焊接到電(diàn)路板或電(diàn)線(xiàn)上的事实将成為(wèi)最高温度的限制因素，尽管如此，最小(xiǎo)和最大感测范围通常可(kě)以落在-55°C至150°C之间C。对于大多(duō)数需要在其他(tā)電(diàn)子设备正在运行的位置检测环境条件的项目，该温度范围应该足够。

在本项目中，我们将介绍三种具有(yǒu)不同工作温度和精度以及宽输入電(diàn)压范围的传感器。

名称	LMT87DCKT	LM62	MAX6605MXK
类型	模拟量	模拟量	模拟量
a传感温度最小(xiǎo)值（°C）	-50°摄氏度	0°摄氏度	-55°摄氏度
最高感测温度（°C）	+ 150°摄氏度	+ 90°摄氏度	+ 125°摄氏度
准确度（°C）	±0.4°C（最大±2.7°C）	±3°摄氏度	±3°C（±5.8°C）
感应范围	本地	本地	本地
分(fēn)辨率/传感器增益（mV /°C）	13.6毫伏/°C	15.6毫伏/°C	11.9毫伏/°C
工作温度（℃）	-50°C至+ 150°C	0°C至+ 90°C	-55°C至+ 125°C
最小(xiǎo)電(diàn)源電(diàn)压（V）	2.7伏	2.7伏	2.7伏
最大電(diàn)源電(diàn)压（V）	5.5伏	10伏	5.5伏
消耗電(diàn)流（uA）	5.4〜8.8微安	约130 uA	4.5〜10微安
制造商(shāng)	TI	TI	Maxim集成
包	SC-70-5	SOT-23-3	SC-70-5

选择这些设备是為(wèi)了展示各种价格和性能(néng)点。在本系列的最后一篇文(wén)章中，我们将使它们超出其工作温度额定值，以查看它们在整个感测范围内及以后如何响应。

模拟传感器实现：Texas Instruments LMT87DCKT

德州仪器（TI）的LMT87是小(xiǎo)型SC-70尺寸的CMOS温度传感器。在我们正在為(wèi)该项目研究的所有(yǒu)模拟传感器中，LMT87的典型精度最高，為(wèi)0.4％。但是，即使是最差情况下的+/- 2.7°C精度也仍然领先于其他(tā)传感器。尽管它的静态電(diàn)流也比其他(tā)電(diàn)流低，但至少在使用(yòng)2.7 V電(diàn)源时，它的上電(diàn)时间也仅為(wèi)0.7毫秒(miǎo)。如果您只是在进行温度测量之前就对它重新(xīn)通電(diàn)，这将使其具有(yǒu)更高的功率效率，这使其成為(wèi)低功率/功率受限应用(yòng)的理(lǐ)想传感器 。由于器件的功耗非常低，因此可(kě)以直接由微控制器或其他(tā)逻辑器件供電(diàn)，而不必担心超过IO引脚的最大额定值。对于较低電(diàn)压的应用(yòng)，LMT8x系列器件还有(yǒu)更多(duō)选择，可(kě)支持低至1.5V的電(diàn)源工作，但随着電(diàn)源電(diàn)压范围的减小(xiǎo)，增益也随之降低。

值得注意的是，LMT87也提供汽車(chē)认证的版本，这对某些用(yòng)户可(kě)能(néng)有(yǒu)用(yòng)。

為(wèi)了实现该传感器，我添加了一个去耦電(diàn)容器和一个输出電(diàn)容器。数据表规定两者都不是必需的；但是，我们希望让这种传感器有(yǒu)最好的机会在我们的测试中发光。并非严格需要输出電(diàn)容器，但它可(kě)以使SAR到ADC在采样时汲取電(diàn)流突发。如果温度传感器无法提供所需的瞬时電(diàn)流以将输出電(diàn)压保持在用(yòng)于温度读数的位置，则它不会对读数产生负面影响。这两个電(diàn)容器的零件号已经在该系列的其他(tā)项目中使用(yòng)，因此不会显着增加总成本或需要订購(gòu)的组件数量。

数据表请為(wèi)我们使用(yòng)的组件的表面贴装变體(tǐ)提供建议的布局；但是，我略有(yǒu)偏离。数据表中建议连接到接地层和電(diàn)源层，而我连接到走線(xiàn)。我并不是真的想在底层添加地面填充物(wù)，因為(wèi)它可(kě)能(néng)会影响温度测试/比较的结果，我们将在本系列的后面部分(fēn)进行此测试。在LMT87传感器下但不在我们使用(yòng)的任何其他(tā)传感元件下都存在热质量/传导率的地面倾倒物(wù)，这可(kě)能(néng)会影响结果。因此，它无法准确显示传感器性能(néng)。

在3D视图中，您可(kě)以看到我将传感器放置在与本系列文(wén)章先前所做的其他(tā)设计相同的位置。我将電(diàn)源去耦電(diàn)容器放在IC旁边。但是，我将模拟输出的去耦電(diàn)容器放在连接器旁边，这可(kě)以发挥最大的作用(yòng)。

板的形状和连接全部由我们在本系列的第1部分(fēn)“温度传感器项目：简介”中创建的项目/板模板提供 。

模拟传感器实现：Texas Instruments LM62

德州仪器（TI）LM62自90年代末以来一直存在，但今天仍然适用(yòng)。尽管其准确性和感测范围不如其他(tā)传感器，但它仍然是许多(duō)应用(yòng)中非常实用(yòng)的传感器。我们在上面看过的LMT87比LM62更精确，消耗電(diàn)流更低，更现代，同时价格也更低，因此為(wèi)什么要在列表中包括LM62？我认為(wèi)此练习包含一个仍相对普遍但仍具有(yǒu)可(kě)测量的自热效应和有(yǒu)限的温度感应范围的缺点的组件将是很(hěn)有(yǒu)意思的。 

LM62确实具有(yǒu)一些优势，例如在15.6 mV /°C时具有(yǒu)更大的传感器增益，并且工作電(diàn)压范围可(kě)扩展至10V。此外，在有(yǒu)限的温度范围内，最大感测温度為(wèi)90时的输出電(diàn)压°C為(wèi)1.884V。这使得可(kě)以使用(yòng)运算放大器或仪表放大器来施加额外的增益。如果您使用(yòng)的是3.3 V微控制器或在较低電(diàn)压逻辑器件能(néng)力范围内的完整检测范围，则可(kě)以在整个检测范围内提供更高的增益。

LM62在其感测温度范围内还具有(yǒu)出色的線(xiàn)性度，最大偏差仅為(wèi)0.8°C。

与LMT87一样，LM62能(néng)够由任何微控制器或逻辑设备的IO引脚供電(diàn)；尽管其電(diàn)流消耗明显更高，但仍仅占微控制器引脚可(kě)提供功率的一小(xiǎo)部分(fēn)。

与上述LMT87一样，我正在為(wèi)LM62实现可(kě)选電(diàn)容器。LM62不需要在输入或输出端安装去耦電(diàn)容器；但是，数据表确实建议在嘈杂的环境中使用(yòng)过滤器。我们构建的评估板实际上不会位于電(diàn)磁噪声环境中。但是，LM62的响应时间明显慢于由1 uF電(diàn)容器形成的输出端RC滤波器的时间常数。结果，LM62的整體(tǐ)响应不会受到明显影响。

我在本文(wén)开头提到，您可(kě)能(néng)更喜欢使用(yòng)模拟传感器而不是数字传感器，因為(wèi)它可(kě)以更方便地内置到模拟控制電(diàn)路中。由于我们正在讨论实现选项和数据表建议-LM62的数据表中有(yǒu)一个很(hěn)好的恒温器示例，该示例可(kě)以在控制電(diàn)路中有(yǒu)很(hěn)多(duō)应用(yòng)，甚至只需打开风扇或加热器即可(kě)，而无需微控制器的干预。

電(diàn)路板的布局与LM87非常相似，電(diàn)源去耦電(diàn)容靠近传感器IC，并且传感器的输出電(diàn)压在堆叠连接器附近解耦。

模拟传感器实现：Maxim Integrated MAX6605MXK

Maxim Integrated的MAX6605是另一款现代温度传感器，采用(yòng)与LMT87相同的小(xiǎo)型SC70封装。在25°C时，MAX6605的温度误差為(wèi)+/- 0.75°C。但是，在整个范围内，该误差最大增加到+/- 5.8°C，这听起来并不理(lǐ)想，尽管这是针对-55°C至125°C的感测范围。在大多(duō)数家用(yòng)设备可(kě)以正常使用(yòng)的0°C至70°C范围内，其温度误差為(wèi)+/- 3.0°C。

驱动一个典型的ADC时，温度传感器将消耗约10uA的電(diàn)流，这与裸片温度仅比环境温度高出0.0162°C有(yǒu)关，遠(yuǎn)好于我们上面看过的LM62。这种低功耗还使得MAX6605能(néng)够直接由微控制器或其他(tā)逻辑器件引脚供電(diàn)，从而有(yǒu)助于其自动开启和关闭以优化功耗。

阅读数据表后，我觉得很(hěn)有(yǒu)趣，它指出该器件中有(yǒu)572个晶體(tǐ)管。德州仪器（TI）在其温度传感器数据表中没有(yǒu)此级别的信息。尽管如此，它仍然显示出与我们之前看过的带有(yǒu)電(diàn)阻元件和运算放大器的電(diàn)路相比，集成電(diàn)路温度传感器内部发生了更多(duō)的事情。為(wèi)了进行比较，LM741运算放大器仅包含20个晶體(tǐ)管。这表明尽管温度传感器看似非常简单，但实际上它们是相当复杂的设备。

MAX6605建议使用(yòng)0.1 uF的输入去耦電(diàn)容，而我们研究的其他(tā)传感器都可(kě)以在没有(yǒu)输入電(diàn)容的情况下令人满意地工作。

由于数据手册中没有(yǒu)建议增加输出電(diàn)容器的建议，因此我不会為(wèi)MAX6605增加一个電(diàn)容器。

MAX6605的PCB非常简洁明了，仅需增加去耦電(diàn)容和传感器IC