目前市场上有多种适用于可携式系统设计的温度传感器产品，其中以热敏电阻及温度传感器 IC最受系统设计工程师欢迎。这些温度传感器各有优缺点，也各有自己的市场。温度传感器 IC具有成本低廉、体积小巧及低功率作业等优点，最适合可携式电子产品采用。

温度传感器 IC的功耗较低

可携式电子产品只要利用温度传感器IC管理热能，便可降低系统所需的功率。其他的传感器，如热电耦式传感器，固然有其优点，例如有独立电源，可以产生低至1mV的讯号，换言之，这种传感器无需外在电源为其供电，而且只需双导线即可作业，比较容易融入系统的设计之中。此外，热电耦式传感器较为坚固耐用，即使经常碰撞，甚至掉到地上，也不易受损。但这种传感器也有其缺点，它并非成线性输出，而且需要另外加设温度补偿电路，因此它也是目前使用率最高的四种传感器之中最不稳定的一种。

相较之下，电阻温度探测器（Resistance Temperature Detector；RTD）是众多温度传感器之中最稳定、也最准确的一种。但RTD比其他传感器昂贵，此外，这种传感器需要加设像惠斯登电桥（Wheatstone bridge）一类的电源及电源供应器，才可提供有用的输出讯号。如此一来，不但会增加系统成本，而且也耗用较多功率。此外，RTD 传感器的电阻较低，容易产生热能令温度上升，以致影响温度测量的准确性。

热敏电阻与 RTD 传感器同样需要电源供应才可提供输出讯号，而且也很容易产生热能令温度上升。但两者也有不同之处，例如同一幅度的温度改变会令热敏电阻的电阻值出现较大幅度的改变，而且一旦温度出现转变，热敏电阻可以更快作出反应。但热敏电阻的缺点是不够坚固，一经碰撞便容易破损。此外，热敏电阻的输出属于非线性，换言之，对于某一系统设计来说，热敏电阻只能在某细小的输出范围内发挥稳定可靠的效能。

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目前四种最常用的温度传感器之中以温度传感器IC的线性表现为最好，而且以同一幅度的温度转变来说，所产生的输出电压变动也以温度传感器IC为最大。温度传感器IC需要电源供应器为其供电，但可携式电子产品的其他电子零组件也同样需要供电，因此温度传感器IC可以装贴在其他电子零组件之上，以便借用专为这些零组件提供的电力。

虽然热敏电阻有探针式以至小珠式等多种不同封装，因而其所提供的选择比温度传感器IC多，但后者的表面黏着封装并不比热敏电阻大，甚至可能更小。

无需为确保精确度而牺牲功率

(图一)的两条曲线分别显示典型的NTC热敏电阻与温度传感器IC的温度/输出电压函数，可以将两者加以比较。图中最明显的一点是温度传感器IC的函数呈线性特性。但据(图二)所显示，热敏电阻若能按比例（ratiometrically）加以偏压，系统便无需加设另一性能稳定或准确的电压参考电路，因为电压参考电路所产生的误差会互相抵销，这是热敏电阻的优点。

《图二 将热敏电阻按比例连接起来便无需加设另一电压参考电路，这是热敏电阻的优点。但目前很多系统设计都不提供参考电压，因为模拟数字转换器没有接脚输出参考电压。》

若系统不能按比例作业，例如模拟数字转换器的参考电压是在特殊应用IC之内，而没有接脚提供参考电压，那么采用温度传感器IC便能确保系统有更高的准确度。

例如，Murata NTH5G10P/16P33B103F热敏电阻若在25℃的温度下作业，准确度便可达1％，相较之下，温度传感器芯片若在25℃的温度下作业，其准确度只有1.5℃，表面上看，热敏电阻优于温度传感器芯片。但我们可以将采用热敏电阻的温度测量系统与采用温度传感器IC的测量系统加以比较，看看整体来说哪类系统有更高的准确度。

我们可以采用8位及10位的模拟数字转换器评比两类系统的整体准确性。评比准确性的标准包括分辨率误差、模拟数字转换器自己产生的错误如增益、电压补偿与非线性表现以及电压补偿表的分辨率。

《图三 热敏电阻温度测量系统内的R偏压电阻器的电阻值越高，系统的功耗便越低，但热敏电阻的可测量范围也相应缩小。》

首先，必须为热敏电阻温度测量系统的上拉电阻器选择一个电阻值。上拉电阻器若采用(图三)所示的这两个不同的电阻值，图二所示的热敏电阻电路的模拟数字转换器输入端便可按照图三所示获得供电电压。以采用97.6kΩ的电阻器为例来说，图三清楚显示温度上升时，模拟数字转换器的输入电压会按照对数表的方式下跌。97.6kΩ的电阻器作用在于降低功耗，令供电电流下降至只有30μA，以确保热敏电阻的作业功率不会超过其最高的额定功率，而同时又可保持规定的准确度。

虽然电阻值较小的电阻器可以扩大热敏电阻的准确测量温度范围，但这样会令功耗大幅增加。若按照图中的范例改用4.7 kΩ的上拉电阻器，高温区的斜率上升，显示分辨率有所提高，而线性表现也获得改善。但此时的热敏电阻耗用600μA的电流，比温度传感器IC所耗用的电流高60倍。换言之，热敏电阻的功耗大增，令电路本身发热，电路温度也因受热而上升。以这个范例来说，温度读数也会因此而提高了约0.2至0.3℃。

再比较以下两类温度测量系统的整体准确度。其一是采用温度传感器IC的测量系统，而另一类则是采用内建97.6kΩ上拉电阻器的热敏电阻温度测量系统。进行测试比较时，热敏电阻测量系统及采用温度传感器IC的测量系统都先与8位的模拟数字转换器搭配一起进行测试，然后再搭配10位的模拟数字转换器进行另一测试。

模拟数字转换器的量化错误以及补偿、增益和线性错误都需要一并考虑进去，以便藉此确定不同系统的整体准确性。(图四)显示采用8位模拟数字转换器的测试比较结果。

《图四 在50℃以下的温度范围内，热敏电阻传感器比传感器IC更准确，但在50℃以上的较高温度范围内传感器IC则较为准确。》

在测试的温度范围内，无论温度高低，温度传感器IC温度测量系统的整体准确度都能保持稳定不变。由于温度传感器IC的输出斜率是负数，当温度上升时，参考电压所产生的增益错误对整体准确度影响较小，正因如此，温度传感器IC必须具有轻微的负数斜率特性。

在50℃以下的温度范围内，热敏电阻测量系统的准确度较高，但在50℃以上的温度区内，其准确度急降10倍，误差幅度超过20℃。相较之下，采用传感器IC的系统有较高的准确度，其误差幅度不超过＋/－5℃。

《图五 温度与准确度对照图》

(图五)显示这两类采用10位模拟数字转换器进行测试比较的系统，图中的曲线则分别显示两类系统的准确度。模拟数字转换器的分辨率由8位提高至10位之后，由于模拟数字转换器的量化误差幅度也随之下跌，因此系统整体错误得以减少。分辨率越高，热敏电阻越能充分发挥其效能，因为热敏电阻会按比例作出感应，所以分辨率越高，准确度的改善也越大。相比之下，温度传感器IC则并非按比例作出感应，因此改善幅度并不明显。在这个情况下，参考电压的误差幅度过大，令模拟数字转换器在准确度方面的改善无法彰显出来。

有关测试都采用＋/－1％的参考电压进行。若采用更高准确度的电压参考电路，温度传感器IC测量系统的准确度会更符合其数据表所列出的技术规格，亦即在30℃的温度下作业时，其准确度可达＋/－1.5℃。但有一点必须重申，由于温度传感器IC芯片的输出斜率属于负数，因此当温度上升时，参考电压所产生的增益错误对整体准确度不会有太大的影响。

温度传感器 IC的最高额定供电电流只有10μA，因此是可携式电子产品的理想解决方案。但为了降低温度传感器IC的供电电流，这款芯片必须采用带宽极低的输出缓冲器。这款传感器若利用取样数据比较器的输入驱动模拟数字转换器（像大部分CMOS ASICs），那么这款传感器便必须在进行取样时为模拟数字转换器提供较高的峰值电流。然而温度传感器芯片的输出无法在数据攫取窗口打开时直接提供这个峰值电流以及稳定其输出电压，因此必须加设一个0.1μF的储存电容器，以便储存电荷，以及当模拟数字转换器进行模拟输入取样时为转换器提供所需电流。

不过温度传感器只需在进行另一次取样之前为电容器充电，以补充其电容储备，直至其电压上升至适当的水平为止，因此温度传感器输出级的要求并不需要那么严格。由于不同制造商的产品各有不同的技术规格，因此不同厂牌的模拟数字转换器在取样时各有不同的输入级电容，我们必须亲自量度系统才可找出电容器的电容值。

结语

温度传感器IC除了比其他类型的传感器耗用更少功率便可取得相当的准确度之外，还有许多其他的优点。首先，传感器IC没有其他传感器那么昂贵。而且，由于这款传感器只需极少或甚至无需另外加设外接的讯号调节电路，工程师可以迅速将传感器融入系统设计之内。

在设计可携式电子产品时，一方面要降低供电电流以延长电池寿命，而另一方面又要尽可能缩小产品体积以及降低系统成本，若要全面满足这些要求，采用温度传感器IC是最好的选择。（本文由美国国家半导体提供）