温度传感器的选择策略
温度传感器的选择策略[推荐]
温度传感器的选择策略
温度传感技术被广泛应用于消费类电子产品、玩具、家用电子产品、工业测量以及最为重要的个人计算机应用中。传统上热敏电阻是最常见的温度传感元件，而IC温度传感器的厂商也在同样的应用领域中推出了IC传感器。本文通过对美国国家半导体的一系列IC温度传感器的介绍和相对的热敏电阻性能测试的比较，给选择温度传感产品的设计人员提供了指导。
热敏电阻的传统优势
价格
毫无疑问，在大多数情况下，就单个组件进行比较，热敏电阻的价格低于IC温度传感器。但为了将热敏电阻的阻值转换成电压值，需要一个精度为1,的上拉电阻，以便获得准确的读数。如果需要以数字方式读出热敏电阻的值，必须再加用带有不同接口(如I2C或SPI)的模数转换器(ADC) 。对于模拟输出的IC温度传感器，单独一颗芯片即可读出电压值，不需外加器件。而对于需要数字化的设计来说，我们能很容易的找到具备不同输出接口的单芯片数字IC温度传感器。以整体系统价格来说，IC温度传感器并不一定较高。
另一方面，随着工艺的改进，美国国家半导体最近宣布了全球最低成本的模拟温度传感器LM19，其价格可与热敏电阻相媲美。
各种各样的封装
如果就传感器无法安装在电路板上的情况而论，热敏电阻具有优势，但仅限于这种情况。如果传感器需要安装在电路板上，则没有差别，甚至当采用具有良好导热性能的LLP封装的IC温度传感器，如LM20或LM74时，则能获得更准确的读数。
精度
在这点上的争论取决于它的用途。在小范围内测量温度，例如体温计，热敏电阻具备输出微调能力，配合精确的外加线路，可以得到精确的读数。由于安装在电路板上受到的限制，IC温度传感器可能因无法直接碰触测量物，精度会有所影响。但是如果在一个允许在电路板上测量温度，而且范围较大的应用领域时，IC温度传感器比热敏电阻更精确。
另一方面，使用热敏电阻时为了达到一致的精度，需要对每批热敏电阻或每颗热敏电阻进行调校。然而IC温度传感器在出厂时即完成测试，保持了系统生产时的稳定性。
温度读取误差的来源
读取网络和功耗
热敏电阻是一个电阻随着温度变化的器件。通常设计人员需要建立一个电阻网络以把电阻变化转化成电压变化。
如图1所示，位于上部的电阻是读取数据的第一个误差来源。如果你想读取一个准确的结果，那幺，上部电阻的精度必须不低于1,。同样，上部电阻的阻值将影响整个网络的线性度和功耗。 与热敏电阻相比较，IC温度传感器更易于使用。IC温度传感器中有三个引脚，分别是Vcc、GND和Vout。一般而言，Vout与温度呈线性关系，而CMOS工艺能最大程度地降低功耗。再者 ，IC温度传感器一般都可承受一定范围的Vcc变化而不影响输出值。(例如图2的 LM20 可稳定地在2.4V 至5.5V的Vcc下工作)
线性度
如读取网络中所示，线性度是造成温度读取误差的另一个因素，特别是当温度读数的范围较宽时。因而热敏电阻在完成数字化过程后总是需要一个查阅表，或增加一些模拟电路，以对线性度进行补偿，这再次增
加了成本。
IC温度传感器以线性方式指示温度，而且不需要进行线性度补偿。
图3是热敏电阻与IC温度传感器响应性能的示例。
数字化误差
为了读出数字世界中的温度值，我们需要用模数转换器将模拟输出转换为数字量。在这一过程中，模数转换器的线性误差、量化误差、偏移误差、PSRR误差与温度的关系也将造成整体系统的温度读取误差。 因此，如果设计人员认为最终系统的全部参数和误差都依赖于多个因素，那么设计工作将大为复杂。我们可能还需要在生产现场进行系统校准。
IC数字温度传感器将传感器和数字化功能集成在一块芯片内。这种芯片的数字输出级在最后出厂前都经过测试，以排除一切误差来源。整块芯片的精度得到了保证，因而非常容易即行采用。例如，LM92的技术规格为30?时的精度为0.33?。这时，你可以立即从I2C总线获得准确的数字读数而无须校准～
热敏电阻与LM20 的对比实验
设置
为比较热敏电阻和IC温度传感器LM20的性能，特别进行了一项实验。两者的设置尽可能做到相同，以便进行直接比较。实验电路如图5所示。
LM20是美国国家半导体公司推出的一款新型模拟温度传感器，采用SC-70或Micro-SMD封装，体积小巧，尤其适用于手机。另外，采用TO-92封装的LM19也具有相同的性能。在此使用的热敏电阻是Murata NTH5G10P/16P33B103F。
热敏电阻的非线性及功耗
首先，我们需要确定热敏电阻设置中的上拉电阻。如前所述，电阻值的选取可能产生不同的线性度和功耗。下面是选取阻值分别为4.7KW和97.6KW时的结果:
如图6所示，在97.6KW的上拉电阻下，我们可以观测到严重的非线性情况。而且温度较高范围内斜率的下降将降低ADC的分辨率。微小的电压变化即代表大幅度的温度差异而无从观察。 如图7所示，随着上拉电阻减至4.7千欧，热敏电阻设置确实产生了较好的线性度，但同时也增大了功耗。功耗的增加导致热敏电阻网络的自热，从而引入了读取误差。而且系统连续使用时间越长，自热效应造成的误差将越严重。
迄今为止，设计中出现的热敏电阻的非线性与自热问题仍不能同时得到解决。但用IC温度传感器就能真正地同时获得高线性度与低自热的性能。
实验结果
在这些设置条件下，热敏电阻与IC温度传感器的特性图如图8所示。
从图中可以明显地看出:在较低温度范围内，两种设置都具有大致相同的误差，甚至热敏电阻的读数精度更高一些。但在50?以上的较高温度范围内，热敏电阻的读数精度降低，温度越高，精度越低。 在大多数情况下，温度读数被用于温度过高时的系统保护，这时热敏电阻发出假警报的机会将会大增。 另一方面，你可以看到，IC温度传感器消耗的电流仅相当于热敏电阻的三分之一～(10uA vs. 30uA)
如何作出正确的选择
根据以上结果，下面提供了一些判断准则以供设计人员正确地选择IC温度传感器: * 当测量的温度范围较广时;
* 当系统的总成本非常重要时;
* 当设计时间必须最短时;
* 当空间非常宝贵时;
* 当需要较低的供电电流时。
热敏电阻的选用准则为:
* 系统精度不很重要时。
* 感测元件必须远离PCB时;
* 系统无需外加器件来读取温度值时。
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