深入剖析LM20溫度傳感器：特性、應用與設計要點

在電子設備的設計中，溫度監測是一個至關重要的環節。今天，我們就來詳細探討一款性能出色的溫度傳感器——LM20。它由德州儀器（TI）推出，具有高精度、低功耗等諸多優點，廣泛應用于各種電子設備中。

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一、LM20的基本特性

1. 溫度范圍與精度

LM20的工作溫度范圍為 -55°C 至 130°C，不過這個范圍會受到電源電壓的影響。當電源電壓在 2.7V 至 5.5V 之間時，溫度范圍為 -55°C 至 130°C；而當電源電壓降至 2.4V 時，負極端溫度范圍變為 -30°C，正極端仍為 130°C。在環境溫度為 30°C 時，其精度通常為 ±1.5°C，在溫度范圍的極端值處，溫度誤差會線性增加至最大 ±2.5°C。

2. 電源與功耗

LM20的電源工作范圍是 2.4V 至 5.5V，靜態電流小于 10μA，這使得它在靜止空氣中的自熱小于 0.02°C。由于其低功耗特性，LM20可以直接由許多邏輯門的輸出供電，甚至無需關機功能。

3. 封裝形式

LM20提供了 SC70 和 DSBGA 兩種封裝形式，其中 SC70（5 引腳）的尺寸為 2.00mm × 1.25mm，DSBGA（4 引腳）的尺寸為 0.96mm × 0.96mm，這為不同的應用場景提供了更多的選擇。

二、LM20的電氣特性

1. 絕對最大額定值

包括電源電壓（-0.2V 至 6.5V）、輸出電壓（-0.6V 至 (V+ + 0.6)V）、輸出電流（最大 10mA）、任何引腳的輸入電流（最大 5mA）、最大結溫（150°C）和存儲溫度（-65°C 至 150°C）等。在設計時，必須確保設備的工作條件不超過這些額定值，否則可能會導致設備永久性損壞。

2. ESD 評級

人體模型（HBM）的 ESD 電壓為 ±2500V，帶電設備模型（CDM）的 ESD 電壓為 ±250V。在儲存和處理過程中，需要采取適當的靜電防護措施，例如將引腳短路或使用導電泡沫包裝，以防止 MOS 柵極受到靜電損壞。

3. 推薦工作條件

不同型號的 LM20（如 LM20B、LM20C、LM20S）在不同的電源電壓下有不同的推薦工作溫度范圍。例如，LM20B 和 LM20C 在 2.4V ≤ V+ ≤ 2.7V 時，工作溫度范圍為 -30°C 至 130°C；在 2.7V ≤ V+ ≤ 5.5V 時，工作溫度范圍為 -55°C 至 130°C。

4. 電氣參數

以 LM20B 為例，在 25°C 至 30°C 時，溫度到電壓的誤差為 ±1.5°C；在 130°C 時，誤差為 ±2.5°C。其非線性度在 -20°C 至 80°C 范圍內為 ±0.4%，傳感器增益在 -30°C 至 100°C 范圍內為 -12.2 至 -11.4mV/°C，輸出阻抗最大為 160Ω，負載調節在 0μA 至 16μA 時最大為 -2.5mV。

三、LM20的功能原理

1. 概述

LM20是一款精密的模擬輸出 CMOS 集成電路溫度傳感器，其傳遞函數主要呈線性，但有輕微的可預測拋物線曲率。溫度傳感元件由一個簡單的基極 - 發射極結組成，通過電流源正向偏置，然后經過放大器緩沖后輸出。

2. 傳遞函數

在 25°C 附近，簡單的線性傳遞函數為 (V{O}=-11.69 mV /^{circ} C × T+1.8663 V)；在 -55°C 至 130°C 的全工作溫度范圍內，最佳精度可通過拋物線傳遞函數 (V{O}=left(-3.88 × 10^{-6} × T^{2}right)+left(-1.15 × 10^{-2} × Tright)+1.8639) 獲得。

四、LM20的應用場景與設計要點

1. 應用場景

LM20適用于多種應用，如手機、計算機、電源模塊、電池管理、傳真機、打印機、HVAC、磁盤驅動器和家電等。

2. 電容負載處理

LM20在處理電容負載方面表現出色。在電容負載小于 300pF 時，無需去耦；當電容負載大于 300pF 時，可能需要增加補償措施，例如添加串聯電阻和電容。在嘈雜環境中，還可以從 V+ 到 GND 添加 0.1μF 的旁路電容，或者在輸出端添加電容和串聯電阻以形成低通濾波器。

3. 典型應用案例

全量程攝氏溫度傳感器

可由單節鋰離子電池供電，通過不同的傳遞函數計算溫度。在有限溫度范圍內，也可以使用線性傳遞函數，通過計算斜率和偏移來獲得最佳結果。

攝氏恒溫器

使用參考電壓（如 LM4040）和比較器（如 LM7211）可以創建簡單的恒溫器。通過計算閾值電壓，可以實現溫度的控制和報警功能。

4. 電源供應建議

LM20的電源電壓范圍為 2.4V 至 5.5V，在嘈雜環境中，建議從 V+ 到 GND 至少添加 0.1μF 的旁路電容，具體電容值可根據電源噪聲情況進行調整。

5. 布局要點

布局指南

LM20可以像其他集成電路溫度傳感器一樣輕松應用，可以粘貼或固定在表面。為確保良好的熱導率，芯片背面直接連接到引腳 2 GND。同時，要注意避免電路受潮和漏電，可使用印刷電路板涂層和清漆進行防護。

熱考慮

熱阻 (R_{theta JA}) 用于計算由于功耗導致的器件結溫上升。在設計時，應盡量減小 LM20所需驅動的負載電流，以降低結溫的影響。

五、總結

LM20溫度傳感器以其寬溫度范圍、高精度、低功耗和多種封裝形式等優點，成為電子工程師在溫度監測應用中的理想選擇。在設計過程中，我們需要充分了解其特性和參數，合理選擇應用場景和設計方案，以確保設備的性能和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地掌握 LM20的使用，在實際項目中發揮其最大優勢。你在使用 LM20 或其他溫度傳感器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。