深入剖析LM20温度传感器：特性、应用与设计要点

在电子设备的设计中，温度监测是一个至关重要的环节。今天，我们就来详细探讨一款性能出色的温度传感器——LM20。它由德州仪器（TI）推出，具有高精度、低功耗等诸多优点，广泛应用于各种电子设备中。

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一、LM20的基本特性

1. 温度范围与精度

LM20的工作温度范围为 -55°C 至 130°C，不过这个范围会受到电源电压的影响。当电源电压在 2.7V 至 5.5V 之间时，温度范围为 -55°C 至 130°C；而当电源电压降至 2.4V 时，负极端温度范围变为 -30°C，正极端仍为 130°C。在环境温度为 30°C 时，其精度通常为 ±1.5°C，在温度范围的极端值处，温度误差会线性增加至最大 ±2.5°C。

2. 电源与功耗

LM20的电源工作范围是 2.4V 至 5.5V，静态电流小于 10μA，这使得它在静止空气中的自热小于 0.02°C。由于其低功耗特性，LM20可以直接由许多逻辑门的输出供电，甚至无需关机功能。

3. 封装形式

LM20提供了 SC70 和 DSBGA 两种封装形式，其中 SC70（5 引脚）的尺寸为 2.00mm × 1.25mm，DSBGA（4 引脚）的尺寸为 0.96mm × 0.96mm，这为不同的应用场景提供了更多的选择。

二、LM20的电气特性

1. 绝对最大额定值

包括电源电压（-0.2V 至 6.5V）、输出电压（-0.6V 至 (V+ + 0.6)V）、输出电流（最大 10mA）、任何引脚的输入电流（最大 5mA）、最大结温（150°C）和存储温度（-65°C 至 150°C）等。在设计时，必须确保设备的工作条件不超过这些额定值，否则可能会导致设备永久性损坏。

2. ESD 评级

人体模型（HBM）的 ESD 电压为 ±2500V，带电设备模型（CDM）的 ESD 电压为 ±250V。在储存和处理过程中，需要采取适当的静电防护措施，例如将引脚短路或使用导电泡沫包装，以防止 MOS 栅极受到静电损坏。

3. 推荐工作条件

不同型号的 LM20（如 LM20B、LM20C、LM20S）在不同的电源电压下有不同的推荐工作温度范围。例如，LM20B 和 LM20C 在 2.4V ≤ V+ ≤ 2.7V 时，工作温度范围为 -30°C 至 130°C；在 2.7V ≤ V+ ≤ 5.5V 时，工作温度范围为 -55°C 至 130°C。

4. 电气参数

以 LM20B 为例，在 25°C 至 30°C 时，温度到电压的误差为 ±1.5°C；在 130°C 时，误差为 ±2.5°C。其非线性度在 -20°C 至 80°C 范围内为 ±0.4%，传感器增益在 -30°C 至 100°C 范围内为 -12.2 至 -11.4mV/°C，输出阻抗最大为 160Ω，负载调节在 0μA 至 16μA 时最大为 -2.5mV。

三、LM20的功能原理

1. 概述

LM20是一款精密的模拟输出 CMOS 集成电路温度传感器，其传递函数主要呈线性，但有轻微的可预测抛物线曲率。温度传感元件由一个简单的基极 - 发射极结组成，通过电流源正向偏置，然后经过放大器缓冲后输出。

2. 传递函数

在 25°C 附近，简单的线性传递函数为 (V{O}=-11.69 mV /^{circ} C × T+1.8663 V)；在 -55°C 至 130°C 的全工作温度范围内，最佳精度可通过抛物线传递函数 (V{O}=left(-3.88 × 10^{-6} × T^{2}right)+left(-1.15 × 10^{-2} × Tright)+1.8639) 获得。

四、LM20的应用场景与设计要点

1. 应用场景

LM20适用于多种应用，如手机、计算机、电源模块、电池管理、传真机、打印机、HVAC、磁盘驱动器和家电等。

2. 电容负载处理

LM20在处理电容负载方面表现出色。在电容负载小于 300pF 时，无需去耦；当电容负载大于 300pF 时，可能需要增加补偿措施，例如添加串联电阻和电容。在嘈杂环境中，还可以从 V+ 到 GND 添加 0.1μF 的旁路电容，或者在输出端添加电容和串联电阻以形成低通滤波器。

3. 典型应用案例

全量程摄氏温度传感器

可由单节锂离子电池供电，通过不同的传递函数计算温度。在有限温度范围内，也可以使用线性传递函数，通过计算斜率和偏移来获得最佳结果。

摄氏恒温器

使用参考电压（如 LM4040）和比较器（如 LM7211）可以创建简单的恒温器。通过计算阈值电压，可以实现温度的控制和报警功能。

4. 电源供应建议

LM20的电源电压范围为 2.4V 至 5.5V，在嘈杂环境中，建议从 V+ 到 GND 至少添加 0.1μF 的旁路电容，具体电容值可根据电源噪声情况进行调整。

5. 布局要点

布局指南

LM20可以像其他集成电路温度传感器一样轻松应用，可以粘贴或固定在表面。为确保良好的热导率，芯片背面直接连接到引脚 2 GND。同时，要注意避免电路受潮和漏电，可使用印刷电路板涂层和清漆进行防护。

热考虑

热阻 (R_{theta JA}) 用于计算由于功耗导致的器件结温上升。在设计时，应尽量减小 LM20所需驱动的负载电流，以降低结温的影响。

五、总结

LM20温度传感器以其宽温度范围、高精度、低功耗和多种封装形式等优点，成为电子工程师在温度监测应用中的理想选择。在设计过程中，我们需要充分了解其特性和参数，合理选择应用场景和设计方案，以确保设备的性能和可靠性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地掌握 LM20的使用，在实际项目中发挥其最大优势。你在使用 LM20 或其他温度传感器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。