【導讀】自集成電路出現(xiàn)以來，IC溫度傳感器一直是設備設計的一部分。設計人員想盡辦法減少溫度對芯片系統(tǒng)的影響，集成溫度傳感器已可輕松解決-55至200?C溫度范圍內(nèi)的大部分問題，而最新一代的溫度傳感器可以在0.76mm2的封裝內(nèi)達到±0.4?C的精度。
自進入IC設計時代，集成電路（IC）溫度傳感器不經(jīng)意就成為器件設計的一部分。IC設計人員歷經(jīng)波折，試圖將溫度對芯片系統(tǒng)的影響減到最小。峰回路轉，一位IC設計師突然有了一個絕妙的想法：何不積極開拓利用有源電路p-n結的溫度行為，而不是局限于絞盡腦汁將其影響最小化。而將數(shù)字功能集成到同一芯片的設計師更是腦洞大開，正是他們孕育出目前的溫度傳感器IC。
集成的溫度傳感器可以輕松解決-55至200ºC溫度范圍內(nèi)的大部分溫度感測難題。
輸入端
溫度傳感器IC的輸入是環(huán)境溫度。換句話說，封裝周圍的環(huán)境溫度會改變內(nèi)部晶體管的行為（圖1）。
圖1：這一概念電路顯示了匹配的晶體管如何檢測溫度。
溫度感應設計通過巧妙的配置和計算來消除晶體管飽和電流（IS）的影響。使用恒流源（IC）以及晶體管和等同晶體管陣列之間的開關很容易控制飽和電流。在圖1中，我們看到VBE 和VBE(N)之間的差是如何輕松對應溫度變化的。 公式（1）顯示了晶體管基極-發(fā)射極電壓VBE的值。
公式（ 1）
其中：
k是玻耳茲曼常數(shù)，等于1.38×10-23J/K；
q等于1.6021765×10-19C；
T是以K為單位的溫度。
公式（2）顯示了許多并聯(lián)晶體管的基極-發(fā)射極的VBE(N)值。
公式（2）
如果將電流源IC從一條引腳切換到另一條引腳，則公式（3）顯示了這兩個基極-發(fā)射極電壓之間的差。
公式（3）
通過計算，得出：
CONSTANT=k × ln(N)/q 或86.25×10-6 × ln(N)。
從概念上講，它讓你知道如何在IC級快速測量溫度。對圖1中的電路做少許改進，IC溫度感測精度可高達±0.4ºC。
輸出端
現(xiàn)在我們有了準確的溫度讀數(shù)，如何向外界呈現(xiàn)此最終數(shù)值很重要。顯示溫度數(shù)據(jù)有兩種基本方法：模擬電壓或數(shù)字值。
模擬電壓輸出非常容易讀取。使用適當?shù)臏囟雀袘b置，你可以捕獲模擬信號，將其轉換為數(shù)字表示或回饋到電路中的某個點。
溫度傳感器的數(shù)字輸出能力更有趣，有許多輸出類型可選，但主要是1線、2線或3線輸出。
1線數(shù)字輸出可提供脈寬調(diào)制（PWM）的脈沖計數(shù)信號或簡單的閾值/開關信號。這兩種信號在風扇控制電路中都很有用。2線數(shù)字輸出提供I2C或SMBus信號。數(shù)字結果是內(nèi)部模數(shù)轉換器的副產(chǎn)品。你還可以看到代表閾值溫度和可能的錯誤條件的數(shù)字輸出。3線數(shù)字輸出提供一個SPI接口。
溫度傳感器件的晶圓級封裝
每個產(chǎn)品都有從粗陋到精細的發(fā)展過程，溫度傳感器系列也在不斷改進。該產(chǎn)品系列接下來將在器件封裝的尺寸上有巨大突破。最新溫度傳感器件的外殼采用晶圓級封裝（WLP）。
1998年，桑迪亞國家實驗室和富士通開發(fā)了WLP。該封裝在切割工藝之前，已完成晶圓級制造，其組裝以標準的表面貼裝技術（SMT）實現(xiàn)。
這種封裝技術帶來了超小型封裝外形和低θ結-環(huán)境值。這一代溫度傳感器的尺寸使采用標準0603封裝的標準0.1μF電容相形見絀（圖2）。
圖2：WLP溫度傳感器（U1/MAX31875）尺寸比SMT的0.1μF電容（C1）小。
在飯桌上
因為新封裝尺寸小，你可以將溫度傳感器任意放置在PCB上，就像你做晚餐時撒鹽和胡椒面一樣。最新一代的溫度傳感器可以在僅占0.76mm2 PCB面積的封裝內(nèi)實現(xiàn)±0.4ºC的精度。那么，明天上什么菜？
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