21、半导体温度传感器：原理、类型与应用解析

半导体温度传感器：原理、类型与应用解析

1. 半导体温度传感器概述

半导体温度传感器是电子领域中常用的温度测量工具，但它不像某些类型的温度传感器那样坚固耐用。其工作原理基于半导体器件的特性，当恒定电流流过二极管的 p - n 结时，每 1 摄氏度的温度变化会使二极管两端的电压大约改变 2mV。同样，在 NPN 晶体管中，如果电流恒定，p - n 结两端的电压也会随温度变化。包含晶体管的集成电路芯片可以利用这一现象来测量温度。

1.1 工作原理

• 二极管原理 ：当恒定电流通过二极管的 p - n 结时，温度每变化 1 摄氏度，二极管两端电压变化约 2mV，可通过图 27 - 2 左侧的简单电路来演示。
• 晶体管原理 ：NPN 晶体管的 p - n 结两端电压在电流恒定时也随温度变化，可替代二极管使用，如图 27 - 2 右侧所示。

1.2 多晶体管应用

双极晶体管的热灵敏度可以用方程定义：
[V_{BE} = \frac{kT}{q} \cdot \ln(\frac{I_{C}}{I_{S}})]
其中，(V_{BE}) 是基极 - 发射极电压，(q) 是电子电荷，(k) 是玻尔兹曼常数，(T) 是开尔文温度，(I_{C}) 是集电极电流，(I_{S}) 是饱和电流（(I_{S} < I_{C})）。

由于饱和电流与晶体管的几何形状有关且随温度非线性变化，为消除饱和电流的影响，可以将一个晶体管与另一个发射极面积更大的晶体管进行比较。但在同一硅芯片上制造两个除发射极面积不同外其他特性相同的晶体管并不容易，更简单的方法是并联多个相同的晶体管。

假设所有晶体管温度相同且规格一致，有 (N) 个晶体管时：
[V_{BE0} = \frac{kT}{q} \cdot \ln(\frac{I_{C}}{I_{S}})]
[V_{BEN} = \frac{kT}{q} \cdot \ln(\frac{I_{C}}{N \cdot I_{S}})]
由此可推导出消除 (I_{C}) 和 (I_{S}) 的方程：
[V_{BE0} - V_{BEN} = \frac{kT}{q} \cdot \ln(N)]

1.3 PTAT 与 Brokaw 单元

添加比较器控制电流可创建 Brokaw 单元电路，通常 (N = 8)。(V_{BE0} - V_{BEN}) 出现在 (R_{2}) 两端，(R_{1}) 两端的电压与绝对温度成正比，即 PTAT（Proportional To Absolute Temperature）：
[V_{PTAT} = \frac{kT}{q} \cdot \ln(N) \cdot \frac{2R_{1}}{R_{2}}]
Brokaw 单元是 1974 年 Analog Devices 推出的 AD580 芯片的基础，该原理目前在半导体温度传感器中应用广泛。

2. 半导体温度传感器的输出类型

半导体温度传感器有多种输出类型，常见的有模拟电压输出、模拟电流输出和数字输出，还有一种以方波形式输出，频率或波长与温度成正比，但这种输出类型较为罕见。

2.1 模拟电压输出

传感器系列	特点	精度	温度范围	封装形式
LM35 系列	输出电压每摄氏度变化 10mV，专为 Celsius 温度范围设计，输出在 0 摄氏度时为 0mV	室温 ±0.25 度，全范围 ±0.75 度	-50 度至 +150 度	TO - 92 塑料封装、金属罐、表面贴装、TO - 220 封装
LM135 系列	表现像齐纳二极管，击穿电压与绝对温度成正比，输出每度增加 10mV	LM135 在 0 至 100 度误差小于 ±1 度，LM235 和 LM335 精度较低	-55 度至 +150 度	TO - 92 封装、TO - 46 金属罐、表面贴装

2.2 模拟电流输出

传感器系列	特点	精度	温度范围	封装形式
LM234 - 3 系列	三线传感器，输出电流与温度成正比，远程传感时特定电阻配置下输出电压每开尔文变化 10mV	±3 度	-25 度至 +100 度	TO - 92 塑料封装、TO - 46 金属罐、表面贴装
AD590 系列	两线电流输出传感器，高阻抗输出每开尔文变化 1µA，电源电压变化对输出电流影响小	-	-	TO - 46 金属罐、两线“扁平封装”、表面贴装芯片

2.3 数字输出

传感器系列	特点	精度	温度范围	封装形式	通信协议
TMP102 系列	仅表面贴装，功能较少、精度较低但价格便宜，低电压芯片，有预设温度警报功能	±3 度	-40 度至 +125 度	表面贴装	I2C 或 SMBus
MCP9808 系列	多功能，符合 I2C 总线标准，有多种温度警报功能，可设置为比较器模式，温度分辨率可选	-	-	表面贴装、带暴露“热垫”的表面贴装	I2C 或 SMBus
LM73 系列	仅表面贴装，符合 I2C 总线标准，温度分辨率可设置，有警报和地址选择功能，可进入关机模式	-	-	表面贴装	I2C 或 SMBus
DS18B20 系列	三线组件，使用专有“1 - 线总线”协议，可设置分辨率、高低温警报，有唯一序列号	-	-	TO - 92 封装、两种尺寸的表面贴装芯片	专有协议

3. 工作原理流程

graph LR
    A[恒定电流通过 p - n 结] --> B[电压随温度变化]
    B --> C[利用电压变化测量温度]
    C --> D[多晶体管消除饱和电流影响]
    D --> E[Brokaw 单元产生 PTAT 电压]
    E --> F[不同输出类型传感器工作]

通过以上内容，我们对半导体温度传感器的工作原理、输出类型有了较为全面的了解。不同类型的传感器适用于不同的应用场景，在选择时需要根据具体需求进行综合考虑。

4. CMOS 半导体温度传感器

CMOS 半导体温度传感器相较于双极型传感器出现较晚。它们具有极低的静态电流（通常为几微安），可以在 5.5VDC 至 2.2VDC 的电源下工作，非常适合手持电池供电设备。常见的如 LM20 和 LMT86 系列。

4.1 LMT86 系列特点

• 温度范围 ：与双极型传感器类似，温度范围大约在 -50 度至 +150 度 Celsius。
• 封装形式 ：可选 TO - 92 和表面贴装封装。
• 输出特性 ：输出具有负温度系数，每开尔文下降 10mV，这是由 CMOS 半导体的特性决定的。
• 精度 ：宣称精度为 ±0.25 度 Celsius，输出电压范围约 2V，在 -50 度 Celsius 时比电源电压低 0.5V。

5. 可能出现的问题及解决方法

5.1 不同温度刻度问题

• 问题描述 ：一些电压输出传感器的输出可转换为开尔文温度，而另一些使用 Celsius 温度。以毫伏为单位输出的组件，可能将 0mV 对应 0 度 Celsius 或 0 度 Kelvin（相当于 -273.15 度 Celsius）。极少数传感器可能使用 Fahrenheit 温度。
• 解决方法 ：使用开尔文刻度可避免负温度值问题，在选择传感器时需明确其温度刻度，根据实际需求进行选择。

5.2 电缆运行中的干扰问题

• 问题描述 ：电压输出的传感器容易受到电气干扰。对于使用 1 - 线总线的 Maxim DS18B20，传感器的连接拓扑也很重要，当电缆长度超过几米时，线性拓扑（多个传感器沿一根线连接）比星形拓扑（每个传感器连接到中心点）更合适。
• 解决方法 ：建议使用双绞线或屏蔽电缆进行远程传感器连接。对于 DS18B20，采用线性拓扑连接多个传感器。

5.3 延迟问题

• 问题描述 ：半导体温度传感器的封装会导致响应时间延迟。如 TO - 92 半导体封装增加了热质量，会显著减慢响应速度，铜引脚还会从电路板传导热量。表面贴装芯片质量虽低，但也需焊接到电路板上。
• 解决方法 ：在需要快速响应的场景中，可考虑使用其他类型的传感器。

5.4 处理时间问题

• 问题描述 ：数字输出传感器中的板载模数转换器会在数据可用前增加小延迟，在此期间组件无法响应新温度。
• 解决方法 ：对于需要快速检测温度变化的情况，模拟设备的输出可能更合适。

6. 问题解决流程

graph LR
    A[遇到问题] --> B{问题类型}
    B -->|不同温度刻度| C[明确刻度并选择合适传感器]
    B -->|电缆干扰| D[使用双绞线或屏蔽电缆，采用合适拓扑]
    B -->|延迟| E[考虑其他类型传感器]
    B -->|处理时间| F[选择模拟设备输出]

7. 总结

半导体温度传感器凭借其多样化的输出类型和工作原理，在不同的应用场景中发挥着重要作用。模拟电压输出的传感器如 LM35 和 LM135 系列，适用于对温度精度要求较高且温度范围较广的场合；模拟电流输出的 LM234 - 3 和 AD590 系列，在远程传感方面具有优势；数字输出的传感器如 TMP102、MCP9808、LM73 和 DS18B20 系列，能满足不同的通信和功能需求；CMOS 半导体温度传感器则以其低功耗特性适用于手持设备。

然而，在使用过程中也会遇到不同温度刻度、电缆干扰、延迟和处理时间等问题。通过了解这些问题及相应的解决方法，我们可以更加合理地选择和使用半导体温度传感器，确保在各种应用场景中都能准确、可靠地测量温度。