宽测量范围温度敏感IC

外接的一只双极型晶体管作为敏感元件的数字式“远端放置”温度传感器，是多年以来人们倚重的、用以检测高速、高性能芯片(如微处理器、图形处理器和FPGA等)温度的一种敏感器件。对于保证最佳性能和防止灾难性事故而言，精确的温度监控具有关键意义。温度监测装置协助系统对风扇进行控制并实现时钟减速(clock throttling)功能，以便让高性能IC的工作温度保持在必要的范围之内。温度更高时，可以用它来关闭系统以防止出现故障。随着性能和功率水平的提高，远程温度监控功能变得越来越重要，其实现也越来越困难。

几乎所有传统数字温度传感器IC的上限都小于128℃，很多传感器的极限都小于100℃。在许多情况下，传统传感器的极限已经够用了，但有时需要测量高达150℃的温度，在这些情况下，需要采用宽测量范围的温度传感器。

典型的数字式温度传感器IC以一个符号位和8个大小位来表示温度，最低位表示的温度为1℃，而最高位表示64℃。最高位为64℃的表示方法将最大的可测量温度限制在128℃以下。

一个宽测量范围温度传感器可以测量的量值应远远高出128℃这一极限——常常要达到150℃。采用权重为128℃的最高位是实现这一目标最方便的办法，此时，温度范围被拓宽到255℃，远远超出了有用范围。由于测量温度的半导体结的特性限制，温度在约150℃ 以上时测量精度会迅速降低。

对于电路板的温度监测而言，127℃以上的温度是不可能遇到的。但微处理器、图形处理器或FPGA等高功率芯片的温度监测需要更宽的测量范围。

这些高功率IC的工作温度高于通常的温度范围，故它们的监测需要温度范围更宽的传感器。最大的工作温度与时钟速度、工艺、器件封装和各种设计因素有关。信号的完整性常常会随着温度的升高而降低，最后直到电路不能保证其性能指标为止。在很多CPU和图形处理器中，出现这一问题的温度大约为100℃，但在一些高性能电路中，正常的工作温度范围会扩展到145℃。由于芯片的最大绝对温度接近工作范围的上限，则进行温度监测、在必要时关闭系统以避免失效变得更为关键(图1)。

在某些高性能处理器上，测温二极管的物理特性会使测量到的温度值发生偏差，换句话说，测量出的温度将大大高于实际温度。在这种情况下，温度传感器需要测量出的表观温度远远高于正常的工作温度范围。

远程温度敏感原理

通过一个“远程二极管”测量温度最常见的方法是：让两路不同的电流流过二极管，一般其比例约为10:1。(该二极管并非是1N4001之类的双端器件，它实际上是一个连接成二极管形式的双极型晶体管，双引出端的二极管的理想因数并不适用于远程二极管温度传感器)。该二极管对应于每个电流级的电压值被测量出来，而温度则根据如下方程求出：

该式中，IH是较高的二极管偏置电流，IL是较低的二极管偏置电流，VH是IH产生的二极管电压，VL是IL产生的二极管电压，n是二极管的理想因数，k是Boltzmann常数1.38x10-23J/o(K)，T是以oK为单位表示的温度，q是一个电子的电荷量(1.60x10-19C)。如果IH/IL=10，上式可以简化为VH- V L = 1.986 × 10-4 ×nT。

上式的“n”项称为理想因数，它与工艺有密切关系，对于大多数晶体管，该量接近于1.0。一个远程二极管温度传感器产生比例精确的电流，并测量出相应的电压，然后对电压测量值进行定标并对其所在的量级水平进行平移，从而产生温度数据。其内部的模拟－数字转换器必须能够精确的测量出小的电压信号以及较大的共模数值；1℃的温度变化伴随着约200mV的信号。

虽然宽测量范围远程温度传感器对市场来说是个新鲜事物，但系统对它们的需求却是明确无误的。随着系统新要求的提出，系统设计者们将会看到更多的、温度测量范围更宽的IC出现。