當朋友問到我的工作是什麼時，我會告訴他們我是一個類比電子工程師，下一個問題則會是，「那麼類比是什麼東西呢？」我通常會使用溫度感測來解釋類比的概念，告訴他們工程師有時候會使用感測器測量電壓或電流的型式來"類比"溫度，為了進一步定義類比的世界，我會告訴他們，這些電壓或電流信號通常會被轉換成一連串的"0"與"1"數位信號以便讓電腦能夠使用，有時候這樣的解釋已經足夠，有時卻不然。

上面的解釋代表了溫度感測器產品的演化，直到最近，大部份市面上的溫度感測器還是提供類比的輸出，包括熱敏電阻、RTD、熱電偶以及新的矽晶片溫度感測器等，但是在大部份的應用上，這些類比輸出的元件需要比較器、類比數位轉換器(ADC)或者是放大器，來處理這些類比輸出信號才能有效使用。

因此當晶片產品的整合度越來越高時，市面上就出現了擁有數位輸出介面的溫度感測器，這些元件以各種型式推出，由在超過特定溫度時會發出警告信號的簡單元件，到提供有可以設定溫度範圍、同時能夠提供本身與遠端溫度的高整合度元件，因此，目前在選擇上已經不僅僅是類比或數位輸出的型式選擇而已，而是可以在眾多不同的感測器元件中，選擇最適合您系統設計需求的產品。

溫度感測器的分類

在(圖一)中我們提供了四種不同型式的溫度感測器，其中A是理想的類比輸出感測器，它的輸出電壓為溫度的完美線性函數，而B則為數位介面的感測器，可以連接到微控器上，在這裡，溫度資訊通常透過串列介面以"0"與"1"的型式傳送給微控器，在相同的介面上，資料也可由微控器送到溫度感測器上，通常是用來設定警告(/ALERT)接腳輸出啟動的溫度臨界值，通常警告信號會在溫度超過臨界值時中斷微控器，這種型態的元件通常也提供有風扇控制的功能。

《圖一　感測器與晶片製造商目前提供有四種類型的溫度感測元件》

圖一的C則代表"Analog Plus"型式的感測器，這類感測器通常擁有多種型態的數位輸出，而所展現的VOUT相對於溫度的曲線代表在超過某個溫度時，它會切換數位輸出的狀態，在這個範例中，所謂的"Plus"代表的只是一個比較器與電壓參考器，其他型態的"Plus"元件則會在元件被啟動時，會以時間延遲的型式或頻率與波寬等不同型式出現。

在圖一中的D則是四類中最複雜的元件型式─系統監視元件(System Monitor)，在數位介面型式的功能之外，這類元件通常還會監測系統的電源電壓，並且會在電壓高於或者低於透過數位介面所設定的臨界值時發出警告，有時廠商也會在這類型元件中，加上風扇監視或控制等功能。在某些情況下，這類型的元件會被用來監測風扇是否正常工作，而較複雜的版本則會依一或多個量測點的溫度值來決定風扇控制的方式。

以下將會介紹其中三種型式的溫度感測器，至於系統監視型感測器由於種類多樣，因此僅提供來描述完整的溫度感測元件分類。

類比輸出溫度感測器

熱敏電阻與矽晶片溫度感測器為相當常使用的類比式輸出溫度感測元件，(圖二)顯示了電壓與溫度變化之間的線性關係，我們可以看出矽晶片溫度感測器是比熱敏電阻要好上許多的選擇，不過在較狹小的溫度溫度範圍下，熱敏電阻也提供了合理的線性變化度與不錯的敏感度，目前許多原本採用熱敏電阻的電路設計，已經逐漸改變為使用矽晶片溫度感測器。

《圖二　熱敏電阻與矽晶片溫度感測器的線性曲線比較》

矽晶片溫度感測器擁有不同的輸出範圍與偏移，例如某些矽晶片溫度感測器的輸出轉換函數會與K成正比，有些則與℃或℉成比例，部份℃型式的元件還提供有溫度位移的功能，因此可以在單一電源電壓下量測負溫度值。

在大部份的應用中，這些元件的輸出會經過一個比較器或類比數位轉換器，來將溫度資訊轉換為數位型式，除了需要額外的元件之外，熱敏電阻與矽晶片溫度感測器因為擁有較低的成本，以及在許多場合容易使用的優勢而相當受到歡迎。

數位介面溫度感測器

大約五年前，市面上出現了一種新型態的溫度感測元件，這些元件內含一個數位介面，因此可以與微控器直接溝通，通常介面型式多為I2C或SMBus串列介面，也有很多採用SPI。除了將溫度資訊傳送給微控器之外，這些介面通常也可以用來從微控器接收指令，這些指令通常為溫度的臨界值，會在所量測的溫度超過臨界值時，啟動溫度感測器上的一個數位信號來中斷微控器，然後微控器就能夠調整風扇的速度或降低微處理器的工作頻率，以便將溫度控制在允許的範圍。

這種型態的元件通常提供有各種額外的功能，其中之一為遠端溫度量測，(圖三)中顯示了CPU如何透過這類元件來加以監測，大部份的高效能CPU都採用遠端溫度量測來加以監視，並在晶片中內建一個電晶體，以便提供內部溫度值，透過晶片內電晶體的一個P-N接面溫度特性的變化，可以用來量測CPU內部的溫度；在其他的應用上，則使用一個獨立的電晶體來達到同樣的功能。

《圖三　能夠量測遠端CPU內的P-N接面溫度的使用者可控制溫度感測器》

另一個在這類感測元件，包括圖三中感測器上的一個重要功能，則是能夠在所量測溫度超出所設定的高低溫度範圍時，提供給微控器中斷信號，其他元件則只能夠在溫度超過"或"低於設定值時提供中斷信號。以圖三中的感測元件來說，這些設定值會透過SMBus傳送給溫度感測器，如果溫度超過或低於所設定的範圍時，警告(/ALERT)信號將會中斷微處理器。

(圖四)則為一個類似的元件，但卻不只是監測一個P-N接面，而是四個加上本身的內部溫度，由於MAX1668耗電相當地低，因此它的內部溫度相當接近環境溫度，而量測環境溫度就可以監視系統風扇運作是否正常。

《圖四　能夠量測本身溫度以及其他四個P-N接面溫度的使用者可控制溫度感測器》

在量測遠端溫度的同時也控制風扇為(圖五)中元件的主要功能，使用者可以在兩種不同風扇控制模式中選擇，其中在PWM模式下，微控器會依所測得的溫度改變送到風扇信號的有效週期，以控制風扇的速度。使用這種風扇控制模式，比這顆元件所提供的另一種線性控制模式耗電要小上許多，由於有些風扇會因控制它的PWM信號頻率而發出噪音，而線性模式則沒有這個困擾，但是卻需要付出耗電較高，以及需要加上額外電路的代價，不過通常這些額外的功率消耗相對於整個系統來說，還是相當地低。

《圖五　可以採用PWM或線性模式控制風扇的風扇控制器/溫度感測元件》

這顆元件也提供了會在溫度超出指定範圍時，發出中斷微控器的警告(/ALERT)信號，同時也提供了一個稱之為溫度過高(/OVERT)的安全性輸出信號，如果微控器或軟體在溫度上昇到危險範圍時鎖死的話，警告信號很有可能就無法正常運作；而溫度過高信號則會在溫度超過設定值時啟動，通常可以用來在不需微控器的情況下控制線路，因此在溫度過高且微控器可能無法正常工作的情況下，溫度過高信號可以用來直接關閉整個系統的電源，防止可能的損害情況發生。

數位介面輸出型式的溫度感測元件則大部份使用在伺服器、電池組與硬碟機上，在伺服器中我們必須監測多點的溫度以提高它的可靠度，包括主機板(通常為機殼內的環境溫度)、CPU以及其他包括圖形加速器與硬碟機等容易發熱的部份。電池組則是因為安全性的考量，及將充電方法最佳化以延長電池使用壽命的理由，而加入溫度感測元件。

至於硬碟機應用上，則有兩個良好的原因需要量測溫度，主要是軸心馬達與環境溫度。硬碟機的讀取錯誤情況在溫度上昇時會大幅增加，同時它的MTBF也會因為溫度控制良好而大幅改善，透過量測系統的溫度，馬達的溫度可以被控制，以便將硬碟機的可靠度與效能做到最好。設備本身也可以視需要而關閉，在較高階的系統中，警告信號可以提供給系統管理者溫度過高或者是資料可能漏失的警告。

「Analog Plus」類溫度感測器

在今日，我們事實上擁有更多種的溫度感測元件可供選擇，"Analog Plus"通常提供適合較簡單量測應用的選擇，這些元件會依所量測的溫度提供邏輯輸出，通常這個輸出為一個單一信號，而不是數位介面類型的串列介面。

以最簡單的"Analog Plus"感測器來說，邏輯輸出會在超過特定溫度時啟動，有些"Analog Plus"感測器會在溫度超過設定值時啟動，有些則是在低於設定值時啟動，其他有些感測器則允許透過外部電阻來調整溫度設定值，有些的溫度設定值則是固定。

(圖六)中的元件擁有固定的溫度臨界值，這些元件在銷售時就已經在內部設定了特定的溫度臨界值，圖六中的三個電路則分別顯示了這類型元件在溫度超過臨界值時常用的應用組態，包括發出警告信號、關閉元件以及啟動風扇等。

《圖六　會在溫度超過設定值時發出信號的元件》

當需要讀取實際的溫度值時，那麼能夠透過單一信號線傳送溫度值的元件，搭配上微控器就可以達成這樣的功能。透過使用微控器內部的計數器來測量時間，這類型的溫度感測器輸出信號就可以成為量測的溫度值，(圖七)為一個輸出方波頻率與環境溫度變化(以?K為單位)成正比的元件，(圖八)則為類似的元件，不同的是輸出方波的波寬與溫度(?K)成正比。

《圖七　能夠輸出頻率與量測溫度成正比方波的溫度控制器》

《圖八　這個溫度感測器的輸出週期與量測溫度成正比》

(圖九)則是在單一信號線上傳送多個溫度的特殊設計，這樣的安排可以允許我們在同一條信號線上，連接高達八個溫度感測器。取得溫度的過程如下：首先微控制器啟動所有連接線上的溫度感測器，在提供這個啟動信號之後，微控器的輸出接腳馬上改變成輸入狀態，以便能夠由每個感測器讀取資料，這個資料是以感測器啟動之後到反應之間所耗的時間來代表，每個感測器在啟動後特定的時間內反應，由於連接線上各個感測器之間允許的時間範圍不同，因此可以避免資料衝突的情況發生。

《圖九　微控器啟動高達八個連接在在同一條信號線上的溫度感測器，並且在同一條線上由每個感測器讀取溫度資訊》

大家可能會質疑這個方法所測得溫度值的精確度，事實上，在普通溫度下它的精確度相當地高，約為+ /-0.8℃，這個精確度與將溫度資訊以所傳送方波頻率或發生週期表示的元件大約相同。

這類型元件在接線不方便的應用上特別好用，例如當溫度感測器必須與微控器離開相當距離時，會因為只需一個光隔離元件而大幅降低成本，請見圖八，這些感測器也在汽車與HVAC應用上大量被採用，因此它可以免除長距離拉線的困擾。

溫度感測器的發展

晶片型溫度感測元件提供了各式各樣的功能與介面，在這些元件持續演化之後，系統設計工程師將會看到越來越多特定的應用功能，以及感測器與系統連接的新型介面，在晶片設計上能在相同晶片面積上加入更多的電路之後，溫度感測元件將會擁有更新的功能與特殊的介面。