温度传感器项目：模拟温度传感器IC

2021-01-25

我们将在一系列有关测量温度的文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，使我们能够开发可堆叠的，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，我们将为它们构建一组主板，这将使我们不仅可以比较不同传感器类型的性能和准确性，还可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）热敏电阻

正温度系数（PTC）热敏电阻

电阻温度检测器（RTD）

模拟温度传感器IC

数字温度传感器IC

热电偶

今天，我们正在研究模拟温度传感器集成电路-与前面的文章不同，每个电路只有一种实现。这些集成电路负责使用电阻元件进行温度感应时必须照顾好自己的所有线性化和放大。这些传感器内部可能具有多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。它们都提供相对线性的输出，非常适合直接与微控制器的模数转换器（ADC）或模拟电路一起使用。

您可能需要少量的支持组件，它们的高精度和方便的输出电压，所以您可能会认为，使用模拟传感器IC会比使用我们已经看过的一种分立式传感元件实现自己的成本高得多。在。通常，情况恰恰相反。通常，您可以向电路中添加模拟温度传感器IC，其成本要比基于分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，而且输出的精度和线性度要高得多。

与我的所有项目一样，您可以在GitHub上找到该项目的详细信息，原理图和电路板文件，  以及其他温度传感器实现。该项目是根据MIT开源许可证发布的，该许可证允许您根据需要将设计或其中的任何部分用于个人或商业目的。

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查看设计或下载！只需几秒钟即可上传您的设计，并采用交互方式深入了解外观，而无需使用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章中介绍了以前的传感器类型的许多实现选项，因此到这一点，您可能会认为，使用无源组件时，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线性电压，那么最好看一下模拟温度传感器。模拟电压允许您使用微控制器ADC引脚来采样温度。或者，您可以使用输出为其他模拟电路（例如比较器）供电，以提供温度控制或安全功能，而无需使用微控制器或其他数字设备。

在内部，这些传感器的工作原理通常与我们之前看过的无源组件非常相似。但是，它们具有内置补偿以线性化其输出。当输出小于完全线性时，数据表通常会包含一个公式，以允许将电压精确转换为温度，而无需实验室测试传感器来确定补偿变量。与鉴定使用电阻元件和运算放大器或仪表放大器构建的电路相比，这极大地简化了工程过程。

尽管有这样的便利，但模拟集成电路温度传感器比我们研究过的无源元件便宜，并且具有相当的精度/精密度，对于除分压器以外的任何实现方式的成本，您都可以购买模拟传感器。与RTD相比，IC的感测温度范围受到更大的限制，但它们与热敏电阻的广告范围相似。传感器中的硅以及它们倾向于被焊接到电路板或电线上的事实将成为最高温度的限制因素，尽管如此，最小和最大感测范围通常可以落在-55°C至150°C之间C。对于大多数需要在其他电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不同工作温度和精度以及宽输入电压范围的传感器。

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
最小电源电压（V）	2.7伏	2.7伏	2.7伏
最大电源电压（V）	5.5伏	10伏	5.5伏
消耗电流（uA）	5.4〜8.8微安	约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

选择这些设备是为了展示各种价格和性能点。在本系列的最后一篇文章中，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是小型SC-70尺寸的CMOS温度传感器。在我们正在为该项目研究的所有模拟传感器中，LMT87的典型精度最高，为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传感器。尽管它的静态电流也比其他电流低，但至少在使用2.7 V电源时，它的上电时间也仅为0.7毫秒。如果您只是在进行温度测量之前就对它重新通电，这将使其具有更高的功率效率，这使其成为低功率/功率受限应用的理想传感器 。由于器件的功耗非常低，因此可以直接由微控制器或其他逻辑器件供电，而不必担心超过IO引脚的最大额定值。对于较低电压的应用，LMT8x系列器件还有更多选择，可支持低至1.5V的电源工作，但随着电源电压范围的减小，增益也随之降低。

值得注意的是，LMT87也提供汽车认证的版本，这对某些用户可能有用。

为了实现该传感器，我添加了一个去耦电容器和一个输出电容器。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最好的机会在我们的测试中发光。并非严格需要输出电容器，但它可以使SAR到ADC在采样时汲取电流突发。如果温度传感器无法提供所需的瞬时电流以将输出电压保持在用于温度读数的位置，则它不会对读数产生负面影响。这两个电容器的零件号已经在该系列的其他项目中使用，因此不会显着增加总成本或需要订购的组件数量。

数据表请为我们使用的组件的表面贴装变体提供建议的布局；但是，我略有偏离。数据表中建议连接到接地层和电源层，而我连接到走线。我并不是真的想在底层添加地面填充物，因为它可能会影响温度测试/比较的结果，我们将在本系列的后面部分进行此测试。在LMT87传感器下但不在我们使用的任何其他传感元件下都存在热质量/传导率的地面倾倒物，这可能会影响结果。因此，它无法准确显示传感器性能。

在3D视图中，您可以看到我将传感器放置在与本系列文章先前所做的其他设计相同的位置。我将电源去耦电容器放在IC旁边。但是，我将模拟输出的去耦电容器放在连接器旁边，这可以发挥最大的作用。

板的形状和连接全部由我们在本系列的第1部分“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。尽管其准确性和感测范围不如其他传感器，但它仍然是许多应用中非常实用的传感器。我们在上面看过的LMT87比LM62更精确，消耗电流更低，更现代，同时价格也更低，因此为什么要在列表中包括LM62？我认为此练习包含一个仍相对普遍但仍具有可测量的自热效应和有限的温度感应范围的缺点的组件将是很有意思的。 

LM62确实具有一些优势，例如在15.6 mV /°C时具有更大的传感器增益，并且工作电压范围可扩展至10V。此外，在有限的温度范围内，最大感测温度为90时的输出电压°C为1.884V。这使得可以使用运算放大器或仪表放大器来施加额外的增益。如果您使用的是3.3 V微控制器或在较低电压逻辑器件能力范围内的完整检测范围，则可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出色的线性度，最大偏差仅为0.8°C。

与LMT87一样，LM62能够由任何微控制器或逻辑设备的IO引脚供电；尽管其电流消耗明显更高，但仍仅占微控制器引脚可提供功率的一小部分。

与上述LMT87一样，我正在为LM62实现可选电容器。LM62不需要在输入或输出端安装去耦电容器；但是，数据表确实建议在嘈杂的环境中使用过滤器。我们构建的评估板实际上不会位于电磁噪声环境中。但是，LM62的响应时间明显慢于由1 uF电容器形成的输出端RC滤波器的时间常数。结果，LM62的整体响应不会受到明显影响。

我在本文开头提到，您可能更喜欢使用模拟传感器而不是数字传感器，因为它可以更方便地内置到模拟控制电路中。由于我们正在讨论实现选项和数据表建议-LM62的数据表中有一个很好的恒温器示例，该示例可以在控制电路中有很多应用，甚至只需打开风扇或加热器即可，而无需微控制器的干预。

电路板的布局与LM87非常相似，电源去耦电容靠近传感器IC，并且传感器的输出电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，采用与LMT87相同的小型SC70封装。在25°C时，MAX6605的温度误差为+/- 0.75°C。但是，在整个范围内，该误差最大增加到+/- 5.8°C，这听起来并不理想，尽管这是针对-55°C至125°C的感测范围。在大多数家用设备可以正常使用的0°C至70°C范围内，其温度误差为+/- 3.0°C。

驱动一个典型的ADC时，温度传感器将消耗约10uA的电流，这与裸片温度仅比环境温度高出0.0162°C有关，远好于我们上面看过的LM62。这种低功耗还使得MAX6605能够直接由微控制器或其他逻辑器件引脚供电，从而有助于其自动开启和关闭以优化功耗。

阅读数据表后，我觉得很有趣，它指出该器件中有572个晶体管。德州仪器（TI）在其温度传感器数据表中没有此级别的信息。尽管如此，它仍然显示出与我们之前看过的带有电阻元件和运算放大器的电路相比，集成电路温度传感器内部发生了更多的事情。为了进行比较，LM741运算放大器仅包含20个晶体管。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0.1 uF的输入去耦电容，而我们研究的其他传感器都可以在没有输入电容的情况下令人满意地工作。

由于数据手册中没有建议增加输出电容器的建议，因此我不会为MAX6605增加一个电容器。

MAX6605的PCB非常简洁明了，仅需增加去耦电容和传感器IC