溫度檢測和控制應用的范圍非常廣泛，所以有許多設計可供選擇。本方案提供深層次設計信息和電路，用于使用最流行的熱傳感器構建熱檢測信號鏈。

一般而言，設計熱檢測和控制系統的第一步是確定必須檢測的溫度范圍以及工作環境溫度范圍。下一步是選擇熱傳感器。熱傳感器的類型主要有四種：硅、熱敏電阻、RTD 和熱電偶。Maxim 提供完備的信號鏈方案或集成 IC，可接收溫度變送器信號、對其進行處理，以及提供返回至控制器件的模擬或數字通信通路。

設計溫度傳感器電路的第一步是選擇將使用的溫度變送器。為實現以上目的，就需要了解被測量介質（空氣、水，液體、固體）和測量溫度范圍。然后需要知道在測量范圍內需要達到的測量精度。

常見的溫度變送器包括：

在保證傳感器量程必須滿足應用的同時，通常還有附加選擇標準，包括傳感器的安裝以及信號鏈和傳感器的成本。

選定變送器后，下一步是確定如何從變送器提取有用信號并將其傳輸至控制器。信號析取電路稱為信號鏈。對于每種變送器，有多種信號鏈可供選擇，包括單芯片方案。影響選擇使用哪種信號鏈的因素包括準確度、靈活性、設計便利性以及成本。

熱電偶

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點所產生的電壓與溫度近似成比例關系。其特性包括寬溫范圍（可高達+1800°C）、低成本（與封裝有關）、輸出電壓非常低（K 型熱電偶的輸出大約為 40μV/°C）、合理的線性度，以及中等復雜的信號調理。熱電偶要求第二個溫度傳感器（冷端補償）作為溫度基準，信號調理要求查找表或算法修正。

下表所示為常見的熱電偶類型的輸出電壓與溫度關系：

下圖（圖 1）曲線所示為溫度量程范圍內的電壓輸出。該曲線具有合理的線性度，盡管它相對于絕對線性具有明顯的偏差。

圖 1. K 型熱電偶輸出電壓和溫度關系。

下圖所示為相對于直線近似的偏差，假設平均靈敏度為 41.28μV/°C 時在 0°C 至+1000°C 范圍內為線性輸出。為提高準確度，可通過計算實際值或利用查找表進行線性度修正。

圖 2. K 型熱電偶相對于直線近似的偏差。

如果溫度范圍較窄，熱電偶輸出非常低，利用熱電偶測量溫度就比較困難。由于熱電偶金屬絲連接到信號調理電路的銅線（或引線）時，在觸點位置又會產生額外的熱電偶，進一步加劇了測量的復雜性。該接觸點被稱為冷端（見圖 3）。

圖 3. 熱電偶電路簡圖。

圖 4 所示為完整的熱電偶至數字輸出電路。精密運放和精密電阻為熱電偶輸出信號提供增益。通過監測冷端位置處的溫度傳感器來修正冷端溫度，由 ADC 提供所需分辨率的輸出數據。一般情況下，需要通過校準來修正放大器失調電壓，以及電阻、溫度傳感器和電壓基準誤差，并且必須進行線性化，來修正熱電偶非線性溫度 - 電壓關系的影響。

圖 4. 熱電偶信號調理電路示例。

Maxim 制造的專用單芯片熱電偶接口可為各種類型的熱電偶實現信號調理功能，從而簡化了設計工作，并大大減少放大、冷端補償及數字化熱電偶輸出所需的元件數量。IC 列于“電路圖”標簽頁。

Maxim 熱電偶方案

Maxim 提供適用于熱電偶傳感器的單芯片和分立式信號鏈方案。Maxim 的單芯片熱電偶至數字輸出接口 IC 為 MAX31855。

電阻溫度檢測器 — RTD

RTD 本質上是阻值隨溫度變化的電阻。其特性包括寬溫范圍（高達 800°C）、卓越的精度和可重復性、合理的線性度，以及必要的信號調理功能。RTD 的信號調理通常包括一個精密電流源和一個高分辨率 ADC。盡管 RTD 的標準化程度較高，根據基材的不同，其成本會較高。鉑是最常見的 RTD 材料，鉑 RTD 表示為 PT-RTD，其準確度最高；其它 RTD 材料包括鎳、銅和鎢（罕見）。RTD 的形式有探頭、表貼封裝以及裸線。

確定 RTD 可用量程的一個因素是 RTD 封裝。通過將鉑沉積在陶瓷基片上或將鉑絲安裝在封裝內，可制成 RTD。基片或封裝相對于鉑元件的膨脹率差異會引起附加誤差。

對于 PT-RTD，最常見的阻值為：0°C 時，標稱阻值為 100Ω （PT100）、500?（PT500）和 1kΩ （PT1000），當然也有其它電阻值。0°C 和+100°C 之間的平均斜率稱為阿爾法（α）。該值與鉑中的雜質及其密度有關。最常見的兩個α值是：0.00385 和 0.00392，分別對應于 IEC 751 （Pt100）和 SAMA 標準。

阻值與溫度的關系曲線具有適當的線性度，但有一定彎曲，可由 Callendar-Van Dusen 方程表示：

R（T） = R0（1 + aT + bT2 + c（T - 100）T3）

關于該公式的更多信息請參考 Maxim 熱管理設計手冊。

下圖（圖 5）所示為一個 PT100 RTD 的阻值 - 溫度曲線，利用α進行了直線近似。注意，直線近似在 -20°C 至+120°C 范圍內的精度優于±0.4°C。

圖 5. PT100 RTD 電阻與溫度的關系曲線，同時也顯示了 0°C 至+100°C 范圍內的直線近似。

圖 6 所示為實際阻值與利用直線近似計算值之間的誤差（單位為攝氏度）。

圖 6. PT100 的非線性，與基于 0°C 至+100°C 斜率的線性近似比較。

簡單 2 線 RTD 的信號調理通常包括一個精密電阻（基準電阻），與 RTD 串聯。對 RTD 和精密基準電阻施加電流的電流源，連接至高分辨率 ADC 的輸入。基準電阻兩端的電壓為 ADC 的基準電壓。ADC 的轉換結果為 RTD 電阻與基準電阻之比。圖 7 所示為簡單 RTD 信號調理電路示例。

有幾種常見變種。電流源可能集成至 ADC，或者可能省去電流源并利用電壓源為 RTD-RREF 分壓器提供偏壓。因為電壓源只有在連接 RTD 和電路的線阻極低時才具有高準確度結果，所以該方法不像電流源那么常見。

圖 7. RTD 信號調理簡化圖。

3 線或 4 線 RTD 接口

如果 RTD 的電纜電阻較大（對 PT100 而言通常為數 m?），一般使用 3 線或 4 線 RTD。4 線接口采用加載和感應連接 RTD，以消除線阻效應；3 線提供一種折中方案，部分抵消線阻效應。盡管外部線性電路可在有限溫度范圍內提供較好的線性化，但通常使用查找表實現線性化。

為測量 RTD 的電阻，必須有一個小電流（大約 1 mA）通過傳感器，產生必要的電壓降。高電流致使 RTD 的鉑元素加熱至 RTD 的環境溫度以上（也稱為焦耳熱效應）。熱量與 RTD 中的電功率（P=I2R）以及 RTD 檢測元件與 RTD 環境之間的熱傳遞成比例。

最常用的 RTD 容限標準有美國標準（ASTM E1137） A 級和 B 級，以及歐盟標準 IEC 751 A 級和 B 級。

其中|t|為絕對溫度值，單位為°C。

Maxim RTD 方案

Maxim 提供單芯片和分立式信號鏈方案，用于 RTD 傳感器。Maxim 的單芯片 RTC 至數字輸出接口為 MAX31865。

熱敏電阻

熱敏電阻是一種熱變電阻，一般由半導體材料制成，如金屬氧化物陶瓷或高分子材料。應用最廣泛的熱敏電阻是負溫度系數（NTC）電阻。熱敏電阻可以是探頭、表貼、裸線等不同形式的專用封裝。

熱敏電阻能夠測量中等溫度范圍（通常可達+150°C，有些熱敏電阻可以測量更高溫度），成本為中 / 低等（取決于準確度），線性度雖然較差，但具有可重復性。熱敏電阻的線性度隨溫度波動較大。在 0°至 70°C 溫度范圍內，熱敏電阻的非線性可達±2°C 至±2.5°C；在 10°至 40°C 溫度范圍內的典型非線性可達±0.2°C。

使用熱敏電阻的一種簡單、常見方法是使用分壓器，如圖 8 所示，其中的一個熱敏電阻和一個定值電阻形成一個分壓器，其輸出被一個模數轉換器（ADC）數字化。

圖 8. 圖中的基本電路說明了熱敏電阻如何連接至 ADC。電阻 R1 和熱敏電阻形成一個分壓器，其輸出電壓依賴于溫度。

NTC 熱敏電阻在較寬溫度范圍內的負溫度系數較大。常見 NTC 的電阻值與溫度之間的關系請參見圖 9。對于較寬溫度范圍內的線性和對數修正，這是個問題。

圖 9. 標準 NTC 的電阻 - 溫度曲線。標稱電阻為 10kΩ @ +25°C。注意曲線（a）的非線性和較高負溫度系數。曲線（b）為對數坐標，也呈現明顯的非線性。

NTC 在較寬溫度范圍內的非線性會影響選擇用于數字化溫度信號的 ADC。由于圖 9 中的曲線斜率在極溫時下降明顯，所以與 NTC 一起使用的任何 ADC 的有效溫度分辨率在這些極溫下都受限，這就通常要求使用高分辨率 ADC。

如圖 8 所示一樣，將 NTC 與定值電阻組合使用，可提供一定的線性度，如圖 10 所示。通過選擇合適的定值電阻值，可將曲線上線性度最好的溫度范圍平移至滿足具體的應用需求。

圖 10. 如圖 9 所示設計一個 NTC 分壓器有助于在有限的溫度范圍內線性化 NTC 的阻值曲線。NTC 和外部電阻 R1 上的電壓表示為溫度的函數。注意電壓在 0°C 至+70°C 范圍內大體呈線性。

對于較寬溫度范圍的應用，常見方法是使用 Steinhart–Hart 方程，這提供了三階近似。Steinhart–Hart 方程中，200°C 溫度范圍內的誤差一般小于 0.02?C。

Maxim 熱敏電阻方案

Maxim 生產幾款基于單芯片熱敏電阻的不同數字輸出 IC。MAX31865 設計用于 RTD，也是用于熱敏電阻的極好選擇。

硅傳感器

硅溫度傳感器具有模擬或數字輸出。盡管硅傳感器的溫度范圍有限，但易于使用，并且許多具有附加功能，例如溫度監控器功能。

模擬溫度傳感器

如果需要通過電流環路將輸出發送至監測設備，模擬溫度傳感器非常有用。這種情況下也可轉換為數字輸出，但信號經過兩個額外的轉換步驟。

模擬溫度傳感器 IC 利用雙極晶體管的熱特性來形成一路與溫度成正比的輸出電壓，有些情況下為電流。

最簡單的模擬溫度傳感器只有三個有源連接：地、電源電壓輸入和輸出。其它具有增強特性的模擬傳感器還有更多的輸入或輸出，例如比較器或電壓基準輸出。

圖 11 所示為典型的模擬溫度傳感器， MAX6605 的輸出電壓 - 溫度曲線；圖 12 所示為該傳感器相對于直線的偏差。在 0°C 至+85°C 溫度范圍，線性度大約在±0.2°C 之內，這相對于熱敏電阻、RTD 及熱電偶來說是相當好的。

圖 11. MAX6605 模擬溫度檢測 IC 的輸出電壓 - 溫度曲線。

圖 12. MAX6605 輸出電壓相對于直線的偏差。從 0°C 至+85°C 內的線性度在大約±0.2°C 范圍之內。

模擬溫度傳感器可具有非常優異的準確度。例如，DS600 在 -20°C 至+100°C 范圍內的保證準確度為±0.5°C；也有誤差容限較大的模擬傳感器，但是其中許多都具有非常小的工作電流（數量級為最大 15μA），并且封裝很小（例如 SC70）。

數字溫度傳感器

將一個模擬溫度傳感器與一個 ADC 集成在一起，是創建具有直接數字接口的溫度傳感器的簡單方式。這樣的器件通常被稱為數字溫度傳感器或本地數字溫度傳感器。“本地”是指傳感器測量的是其自身的溫度，而遠端傳感器測量的是外部 IC 或分立式晶體管的溫度。

圖 13 所示為兩個數字溫度傳感器的框圖。圖 13a 所示為一個簡單測量溫度的傳感器，并通過一個 3 線數字接口輸出結果數據。圖 13b 所示的器件具備更多特性，例如過溫 / 欠溫輸出、為這些輸出設置觸發門限的寄存器，以及 EEPROM。

圖 13. 本地數字溫度傳感器框圖。（a） 帶有串行數字輸出的簡單傳感器。（b） 具有更多功能的傳感器，例如過溫 / 欠溫報警輸出和用戶 EEPROM。

使用數字溫度傳感器的好處之一是傳感器的準確度指標內包括了在將溫度值數字化時所產生的所有誤差；相比之下，模擬溫度傳感器的規定誤差還必須加上 ADC、放大器、電壓基準或傳感器所使用的其它元件的規定誤差。極高性能數字溫度傳感器的例子之一是 MAX31725，在 -40°C 至+105°C 溫度范圍內的準確度達到±0.5°C。MAX31725 可用于 -55°C 至+125°C 溫度范圍，最大溫度誤差只有±0.7°C，分辨率為 16 位（0.00390625°C）。

大多數數字溫度傳感器都具有一路或多路輸出來指示實測溫度已經超出了預設（通常軟件可編程）限值。輸出行為可以像一個比較器輸出一樣，當溫度高于門限時為一種狀態，當溫度低于門限時為另一種狀態。另一種常見的輸出實現方法就像一個中斷，只有主控設備采取動作進行響應后才會被復位。

數字溫度傳感器可帶有各種各樣的數字接口，包括 I2C、SMBusTM、SPITM、1-Wire?和 PWM。