目前市場上有多種適用於可攜式系統設計的溫度感應器產品，其中以熱敏電阻及溫度感應器 IC最受系統設計工程師歡迎。這些溫度感應器各有優缺點，也各有自己的市場。溫度感應器 IC具有成本低廉、體積小巧及低功率作業等優點，最適合可攜式電子產品採用。

溫度感應器 IC的功耗較低

可攜式電子產品只要利用溫度感應器IC管理熱能，便可降低系統所需的功率。其他的感應器，如熱電耦式感應器，固然有其優點，例如有獨立電源，可以產生低至1mV的訊號，換言之，這種感應器無需外在電源為其供電，而且只需雙導線即可作業，比較容易融入系統的設計之中。此外，熱電耦式感應器較為堅固耐用，即使經常碰撞，甚至掉到地上，也不易受損。但這種感應器也有其缺點，它並非成線性輸出，而且需要另外加設溫度補償電路，因此它也是目前使用率最高的四種感應器之中最不穩定的一種。

相較之下，電阻溫度探測器（Resistance Temperature Detector；RTD）是眾多溫度感應器之中最穩定、也最準確的一種。但RTD比其他感應器昂貴，此外，這種感應器需要加設像惠斯登電橋（Wheatstone bridge）一類的電源及電源供應器，才可提供有用的輸出訊號。如此一來，不但會增加系統成本，而且也耗用較多功率。此外，RTD 感應器的電阻較低，容易產生熱能令溫度上升，以致影響溫度測量的準確性。

熱敏電阻與 RTD 感應器同樣需要電源供應才可提供輸出訊號，而且也很容易產生熱能令溫度上升。但兩者也有不同之處，例如同一幅度的溫度改變會令熱敏電阻的電阻值出現較大幅度的改變，而且一旦溫度出現轉變，熱敏電阻可以更快作出反應。但熱敏電阻的缺點是不夠堅固，一經碰撞便容易破損。此外，熱敏電阻的輸出屬於非線性，換言之，對於某一系統設計來說，熱敏電阻只能在某細小的輸出範圍內發揮穩定可靠的效能。

《》

目前四種最常用的溫度感應器之中以溫度感應器IC的線性表現為最好，而且以同一幅度的溫度轉變來說，所產生的輸出電壓變動也以溫度感應器IC為最大。溫度感應器IC需要電源供應器為其供電，但可攜式電子產品的其他電子零組件也同樣需要供電，因此溫度感應器IC可以裝貼在其他電子零組件之上，以便借用專為這些零組件提供的電力。

雖然熱敏電阻有探針式以至小珠式等多種不同封裝，因而其所提供的選擇比溫度感應器IC多，但後者的表面黏著封裝並不比熱敏電阻大，甚至可能更小。

無需為確保精確度而犧牲功率

(圖一)的兩條曲線分別顯示典型的NTC熱敏電阻與溫度感應器IC的溫度/輸出電壓函數，可以將兩者加以比較。圖中最明顯的一點是溫度感應器IC的函數呈線性特性。但據(圖二)所顯示，熱敏電阻若能按比例（ratiometrically）加以偏壓，系統便無需加設另一性能穩定或準確的電壓參考電路，因為電壓參考電路所產生的誤差會互相抵銷，這是熱敏電阻的優點。

《圖二　將熱敏電阻按比例連接起來便無需加設另一電壓參考電路，這是熱敏電阻的優點。但目前很多系統設計都不提供參考電壓，因為類比數位轉換器沒有接腳輸出參考電壓。》

若系統不能按比例作業，例如類比數位轉換器的參考電壓是在特殊應用IC之內，而沒有接腳提供參考電壓，那麼採用溫度感應器IC便能確保系統有更高的準確度。

例如，Murata NTH5G10P/16P33B103F熱敏電阻若在25℃的溫度下作業，準確度便可達1％，相較之下，溫度感應器晶片若在25℃的溫度下作業，其準確度只有1.5℃，表面上看，熱敏電阻優於溫度感應器晶片。但我們可以將採用熱敏電阻的溫度測量系統與採用溫度感應器IC的測量系統加以比較，看看整體來說哪類系統有更高的準確度。

我們可以採用8位元及10位元的類比數位轉換器評比兩類系統的整體準確性。評比準確性的標準包括解析度誤差、類比數位轉換器自己產生的錯誤如增益、電壓補償與非線性表現以及電壓補償表的解析度。

《圖三　熱敏電阻溫度測量系統內的R偏壓電阻器的電阻值越高，系統的功耗便越低，但熱敏電阻的可測量範圍也相應縮小。》

首先，必須為熱敏電阻溫度測量系統的上拉電阻器選擇一個電阻值。上拉電阻器若採用(圖三)所示的這兩個不同的電阻值，圖二所示的熱敏電阻電路的類比數位轉換器輸入端便可按照圖三所示獲得供電電壓。以採用97.6kΩ的電阻器為例來說，圖三清楚顯示溫度上升時，類比數位轉換器的輸入電壓會按照對數表的方式下跌。97.6kΩ的電阻器作用在於降低功耗，令供電電流下降至只有30μA，以確保熱敏電阻的作業功率不會超過其最高的額定功率，而同時又可保持規定的準確度。

雖然電阻值較小的電阻器可以擴大熱敏電阻的準確測量溫度範圍，但這樣會令功耗大幅增加。若按照圖中的範例改用4.7 kΩ的上拉電阻器，高溫區的斜率上升，顯示解析度有所提高，而線性表現也獲得改善。但此時的熱敏電阻耗用600μA的電流，比溫度感應器IC所耗用的電流高60倍。換言之，熱敏電阻的功耗大增，令電路本身發熱，電路溫度也因受熱而上升。以這個範例來說，溫度讀數也會因此而提高了約0.2至0.3℃。

再比較以下兩類溫度測量系統的整體準確度。其一是採用溫度感應器IC的測量系統，而另一類則是採用內建97.6kΩ上拉電阻器的熱敏電阻溫度測量系統。進行測試比較時，熱敏電阻測量系統及採用溫度感應器IC的測量系統都先與8位元的類比數位轉換器搭配一起進行測試，然後再搭配10位元的類比數位轉換器進行另一測試。

類比數位轉換器的量化錯誤以及補償、增益和線性錯誤都需要一併考慮進去，以便藉此確定不同系統的整體準確性。(圖四)顯示採用8位元類比數位轉換器的測試比較結果。

《圖四　在50℃以下的溫度範圍內，熱敏電阻感應器比感應器IC更準確，但在50℃以上的較高溫度範圍內感應器IC則較為準確。》

在測試的溫度範圍內，無論溫度高低，溫度感應器IC溫度測量系統的整體準確度都能保持穩定不變。由於溫度感應器IC的輸出斜率是負數，當溫度上升時，參考電壓所產生的增益錯誤對整體準確度影響較小，正因如此，溫度感應器IC必須具有輕微的負數斜率特性。

在50℃以下的溫度範圍內，熱敏電阻測量系統的準確度較高，但在50℃以上的溫度區內，其準確度急降10倍，誤差幅度超過20℃。相較之下，採用感應器IC的系統有較高的準確度，其誤差幅度不超過＋/－5℃。

《圖五　溫度與準確度對照圖》

(圖五)顯示這兩類採用10位元類比數位轉換器進行測試比較的系統，圖中的曲線則分別顯示兩類系統的準確度。類比數位轉換器的解析度由8位元提高至10位元之後，由於類比數位轉換器的量化誤差幅度也隨之下跌，因此系統整體錯誤得以減少。解析度越高，熱敏電阻越能充分發揮其效能，因為熱敏電阻會按比例作出感應，所以解析度越高，準確度的改善也越大。相比之下，溫度感應器IC則並非按比例作出感應，因此改善幅度並不明顯。在這個情況下，參考電壓的誤差幅度過大，令類比數位轉換器在準確度方面的改善無法彰顯出來。

有關測試都採用＋/－1％的參考電壓進行。若採用更高準確度的電壓參考電路，溫度感應器IC測量系統的準確度會更符合其資料表所列出的技術規格，亦即在30℃的溫度下作業時，其準確度可達＋/－1.5℃。但有一點必須重申，由於溫度感應器IC晶片的輸出斜率屬於負數，因此當溫度上升時，參考電壓所產生的增益錯誤對整體準確度不會有太大的影響。

溫度感應器 IC的最高額定供電電流只有10μA，因此是可攜式電子產品的理想解決方案。但為了降低溫度感應器IC的供電電流，這款晶片必須採用頻寬極低的輸出緩衝器。這款感應器若利用取樣資料比較器的輸入驅動類比數位轉換器（像大部分CMOS ASICs），那麼這款感應器便必須在進行取樣時為類比數位轉換器提供較高的峰值電流。然而溫度感應器晶片的輸出無法在資料攫取視窗打開時直接提供這個峰值電流以及穩定其輸出電壓，因此必須加設一個0.1μF的儲存電容器，以便儲存電荷，以及當類比數位轉換器進行類比輸入取樣時為轉換器提供所需電流。

不過溫度感應器只需在進行另一次取樣之前為電容器充電，以補充其電容儲備，直至其電壓上升至適當的水平為止，因此溫度感應器輸出級的要求並不需要那麼嚴格。由於不同製造商的產品各有不同的技術規格，因此不同廠牌的類比數位轉換器在取樣時各有不同的輸入級電容，我們必須親自量度系統才可找出電容器的電容值。

結語

溫度感應器IC除了比其他類型的感應器耗用更少功率便可取得相當的準確度之外，還有許多其他的優點。首先，感應器IC沒有其他感應器那麼昂貴。而且，由於這款感應器只需極少或甚至無需另外加設外接的訊號調節電路，工程師可以迅速將感應器融入系統設計之內。

在設計可攜式電子產品時，一方面要降低供電電流以延長電池壽命，而另一方面又要盡可能縮小產品體積以及降低系統成本，若要全面滿足這些要求，採用溫度感應器IC是最好的選擇。（本文由美國國家半導體提供）