集成电路的温度传感器应用：原理和优势

1.基本原理及PTAT核心电路

图7-49给出了对管差分电路的原理图。VT₁和VT₂是结构和性能上完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流I_c1和I_c2下工作。由图可见，U_be2+ΔU_be-U_be1=0，即电阻R₁上得到的电压为两管基极—发射极电压差：

图7-49 对管差分电路原理图

由于两管集电极面积相等，因此集电极电流比等于集电极电流密度比，所以上式可改写为

式中 J_c1，J_c2——分别是VT₁和VT₂的集电极电流密度。

由此可见，只要设法保持两管的集电极电流密度之比不变，那么电阻R₁上的电压ΔU_be将正比于绝对温度。ΔU_be是集成电路温度传感器的基本温度信号，在此基础上可以得到所要求的与温度呈线性关系的电压或电流输出。

设两管增益极高，因此基极电流可以忽略，即集电极电流等于发射极电流，故有

ΔU_be=R₁I_c2

由此可知，VT₂的集电极电流I_c2也正比于绝对温度，并因此使R₂上的电压也正比于绝对温度。为使两管集电极电流（或电流密度）之比保持不变，电流源给出的流过VT₁的电流I_c1也必须正比于绝对温度，于是电路总电流（I_c1+I_c2）正比于绝对温度。由此可见图7-49所示原理性电路可以给出正比于绝对温度的电压，亦可给出正比于绝对温度的电流。作为温度传感器的感温部分，常称该原理性电路为PTAT核心电路。

对于PTAT核心电路，关键在于保证两管的集电极电流密度之比不随温度变化。因为只有实现了这一点，电路才会有正比于温度的电压或电流输出。为此可采用如图7-50所示的电流镜PTAT核心电路。该电路由两对晶体管组成。其中NPN型晶体管VT₁和VT₂是基本的温敏差分对管，给出温度信号。与它们分别串联的PNP型晶体管VT₃和VT₄组成所谓的电流镜。由于它们具有完全相同的结构和特性，且发射结偏压又相同，所以使得流过VT₁和VT₂的集电极电流在任何温度下始终相等。实际上在这里做了晶体管的输出阻抗和电流增益均为无穷大的假设，因此可以忽略集电极电流随集电极电压U_ce的变化及基极电流的影响。

图7-50 电流镜PTAT核心电路

为使VT₁和VT₂工作在不同的集电极电流密度下，两管采用不同的发射极面积。设其面积比为n，则两管的电流密度比为面积的反比，因此只要在电路的“+”和“-”端加上高于两倍的U_be的电压，在电阻R₁上将得到两管的基极—发射极电压差：

在电流镜PTAT核心电路中，ΔU_be的温度系数仅取决于两管的发射极面积比n，而n则与温度无关。由式可以算得流过这个电路的左、右两支路的电流为

于是由“+”端到“-”端流过电路的总电流为

I₀=2I=2（k₀T/qR₁）lnn

可见，如果电阻R₁不随温度变化，即其电阻温度系数为零，则电路的总电流正比于绝对温度。这样，利用如图7-50所示电路，就得到了一种基本的电流输出型温度传感器。

在如图7-51所示的PTAT核心电路基础上附加一个由与VT₃、VT₄相同的PNP型晶体管VT₅和电阻R₂组成的支路，就构成了电压输出型温度传感器基本电路，如图7-51所示。VT₅的发射结电压与VT₃和VT₄的相同，又具有相同的发射极面积，于是流过VT₅和R₂支路的电流与另两支路电流相等，所以输出电压

2.电压输出型

（1）四端电压输出型

1）框图。最早研制的电压输出型温度传感器是四端传感器，其框图如图7-52所示。它由PTAT核心电路、参考电压源和运算放大器三部分组成，其四个端子分别为U+、U-、输入和输出。这类传感器包括LX5600/5700、LM3911、μPC616A/C和μPC3911等型号。四端电压输出型传感器的最大工作温度范围是-40～125℃，灵敏度是10mV/K，线性偏差为（0.5～2）%，长期稳定性和重复性为0.3%，精度为±4K。

图7-51 电压输出型PTAT核心电路

图7-52 四端电压输出型传感器框图

2）典型应用。

①基本应用电路。基本应用电路如图7-53所示。图7-53a和图7-53b分别给出了使用正电源和负电源的接法。由于输入端和输出端短接，作为三端器件，传感器在U+端和输出端之间给出正比于绝对温度的电压输出U_o，其温度灵敏度是10mV/K。在内部参考电压的钳位作用下，U+和U-端之间的电压保持为6.85V，传感器实际上是一个电压源，所以传感器必须和一个电阻R₁串联，而所加电压U_cc要大于6.85V，常取±15V。传感器电路电流通常选在1mA左右，因此R₁值可由下式确定：

图7-53 基本应用电路

a）正电源 b）负电源

②摄氏温度检测电路：图7-54给出了用输出电压直接表示摄氏温度的检测电路。图7-54a和图7-54b所示两种电路都是把传感器本身的参考电压分压，取出2.73V作为偏置电压，使输出电平移动-2.73V，即使其在273K（0℃）时输出为零，于是补偿后的输出U_o将直接指示摄氏温度，而不再是绝对温度。输出电压的灵敏度为10mV/℃，而且输出是对地而言的。图7-54b中的放大器可采用通用型运算放大器，若要求精度高，可使用高精度运算放大器。外部定标可在任何已知温度下进行，如0℃或25℃，只要调节电位器R_w，使输出为0或250mV即可。

图7-54 摄氏温度检测电路(www.xing528.com)

（2）三端电压输出型

1）性能特点。LM135/LM235/LM335系列是一种精密的、易于定标的三端电压输出型集成电路温度传感器。当它作为两端器件工作时，相当于一个齐纳二极管，其击穿电压正比于绝对温度，灵敏度为10mV/K。作为一个电压源，当工作电流在0.4～5mA范围内变化时，并不影响传感器的性能，因为它的动态电阻低于1Ω。如果在25℃下定标，在100℃宽的温度范围内误差小于1℃，具有良好的输出线性。

LM135、LM235和LM335的工作温度范围分别是-55～150℃、-40～125℃和-10～100℃。图7-55给出了LM135系列封装接线图。这种传感器内部电路的基本部分是一个PTAT核心电路和一个运算放大器。外部一个端子接U+，一个端子接U-，第三个端子为调整端，供传感器作外部定标时使用。

图7-55 LM135系列封装接线图

a）TO-46金属壳 b）TO-92塑料壳

2）典型应用。

①基本温度检测：把传感器作为一个两端器件与一个电阻串联，加上适当的电压，就可以得到灵敏度为10mV/K、直接正比于绝对温度的电压输出U_o，如图7-56所示。实际上这时传感器可以看作温度系数为10mV/K的电压源。传感器的工作电流由电阻R和电源电压U_cc决定：

I=（U_cc-U_o）/R

由上式可以看出，工作电流随温度变化，但是LM135系列作为电压源其内阻极小，所以电流变化并不影响输出电压。

②可定标的传感器：图7-57给出了可以进行外部定标的传感器电路。这时传感器作为三端器件工作，通过对10kΩ电位器的调节，完成定标以减小工艺偏差产生的误差。例如在25℃下，调节电位器，使输出电压U_o=2.982V。经过定标，传感器的灵敏度达到设计值10mV/K，从而提高了传感器的精度。

图7-56 基本测温电路

图7-57 可定标的传感器测温电路

③空气流速检测：如果使传感器在自热条件下工作，即通过较大电流，使其温度高于环境温度，那么在周围空气为静止或流动两种情况下，传感器有两种输出。因为空气流动会加速传感器的散热过程，因此传感器的温度将不相同，故输出电压也不相同。空气流速越大，传感器的散热能力越强，温度越低，输出电压越低。这就是空气流速检测器的工作原理。

在图7-58所示的电路中，采用两个温度传感器LM335。上面的一个工作在自热条件下，电流约为10mA；下面的一个在小电流下工作，其自热温升可以忽略，即工作在环境温度条件下。零点定标一般在静止空气中进行，调10kΩ电位器使放大器输出为零。注意在定标和测量时，均应保持两个传感器在相同的环境温度下。

图7-58 空气流速检测器电路

3.电流输出型

（1）性能特点

电流输出型集成电路温度传感器是继电压输出型传感器之后发展的一种新型传感器，其典型代表是AD590。这种传感器以电流作为输出量指示温度，其典型的电流温度灵敏度是1μA/K。它是一种两端器件，使用非常方便。作为一种高阻电流源，对于它，没有电压输出型传感器遥测或遥控应用的长馈线上的电压信号损失和噪声干扰问题，故特别适合远距离测量或控制。出于同样理由，AD590也特别适用于多点温度测量系统，而不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。由于电路结构独特，并利用薄膜电阻激光微调技术作最后定标，故电流输出型比电压输出型精度更高。另外，电流输出可通过一个外加电阻很容易地变为电压输出。

AD590有如下特点：

1）线性电流输出：1μA/K。

2）工作温度范围：-55～155℃。

3）两端器件：电压输入，电流输出。

4）激光微调使定标精度达±0.5℃（AD590M）。

5）整个工作温度范围内非线性误差小于±0.5℃（AD590M）。

6）工作电压范围：4～30V。

7）器件本身与外壳绝缘。

（2）典型应用

1）基本温度检测。把AD590与一个1kΩ电阻串联，即得基本温度检测电路，如图7-59所示。在1kΩ电阻上得到正比于绝对温度的电压输出，其灵敏度为1mV/K。可见利用这样一个简单的电路，很容易把传感器的电流输出变换为方便的电压输出。由于AD590内阻极高，所以适合远距离测量，而且馈线可采用一般双绞合线。

2）摄氏和华氏数字温度计。ICL7106是一种集成电路，包括模—数转换器、时钟发生器、参考电压源、BCD-七段译码器及自馈和显示驱动器，把它和AD590连接，再加上液晶显示器和几个电阻，就可以组成一个数字温度计，如图7-60所示。U_REF对摄氏和华氏两种温标均取500mV。摄氏温度最大读数理论上为199.9℃，实际受传感器AD590的最高允许温度限制。华氏温度最大读数为199.9℉（93.3℃），实际受显示器数字位数的限制。对于摄氏和华氏输出，各电阻取值如表7-17所示。

图7-59 基本温度检测电路

图7-60 摄氏和华氏数字温度计电路

表7-17 摄氏和华氏数字温度计电阻取值 （单位：kΩ）