利用集成的温度传感器来检测并应用温度信号

1.概述

在研究二极管温度特性的同时，人们发现晶体管发射极的温度特性与二极管温度特性相似，但比二极管有更好的线性和互换性。晶体管温度传感器在1970年就已实用化，集成温度传感器是1980年问世的半导体集成器件，它是把热敏晶体管和放大器、偏置电源及线性电路制作在同一芯片上，可以完成温度测量及模拟信号输出的专用IC器件。

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到了广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1μA/K。集成温度传感器有AD590、AD592、TMP17、LM15等；模拟可编程的集成温度控制开关模块有LM56、AD22105等。

2.AD590简介

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：

1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（K）度数，即

式中，I_T为流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T为热力学温度，单位为K。

2）AD590的测温范围为-55~＋150℃。

3）AD590的电源电压范围为4~30V。电源电压可在4~6V范围变化，电流I_T变化1μA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4）输出电阻为710MΩ。

5）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55~＋150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

图2-41 AD590的封装形式与基本应用电路

a）封装形式 b）基本应用电路

3.AD590基本应用电路

图2-41a是AD590的封装形式，图2-41b是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R₁和电位器R₂的电阻之和为1kW时，输出电压V_O随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R₂，使V_O＝273.2mV。或在室温（25℃）条件下调整电位器，使V_O＝273.2＋25＝298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。

如图2-41所示，电位器R₂用于调整零点，R₄用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R₂，使输出V_O＝0，然后在100℃时调整R₄使V_O＝100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，V_O＝0mV，100℃时V_O＝100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么V_O应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。(www.xing528.com)

要使图2-42中的输出为200mV/℃，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R₃与电位器R₄串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为℉）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/℉，则调整反馈电阻约为180kW，使得温度为0℃时，V_O＝17.8mV；温度为100℃时，V_O＝197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。

图2-42 摄氏温度测量电路

4.AD590测量两点温度差的电路

图2-43是利用两个AD590测量两点温度差的电路。在反馈电阻为100kΩ的情况下，设1＃和2＃AD590处的温度分别为t₁（℃）和t₂（℃），则输出电压为（t₁-t₂）100mV/℃。图中电位器R₂用于调零。电位器R₄用于调整运放LF355的增益。

图2-43 测量两点温度差的电路

由基尔霍夫电流定律

I＋I₂＝I₁＋I₃＋I₄ （2-22）

由运算放大器的特性知：I₂＝0，V_A≈0调节调零电位器R₂使：I₄＝0

由以上条件可得：I＝I₁-I₂

设R₄＝90kΩ

则有：V_O＝I（R₃＋R₄）＝（I₁-I₂）（R₃＋R₄）

＝（t₁-t₂）100mV/℃ （2-23）

式中，（t₁-t₂）为温度差，单位为℃。

由式（2-22）知，改变（R₃＋R₄）的值可以改变V_O的大小。