使用既有參考電壓設計NTC溫度感測電路

前言

本文說明如何使用 NTC 作為溫度感測器，並提供相應的電路設計步驟。TI 的技術文件（SBOA323）中，計算流程是以最終求得參考電壓 V_REF 為目標。然而，在某些應用情境中，可能需使用電路板上既有的參考電壓，此時原有設計流程便不再適用。為此，本文提出一套新的設計方法，以預設參考電壓為前提，並將運算放大器的輸入與輸出範圍納入計算參數。最後，並提供計算工具供讀者使用。

電路設計

本文提出的設計邏輯與方法包含：

• 以固定參考電壓為起點，反推電路參數配置
• 考量運算放大器的輸入輸出範圍，避免超出規格導致失效
• 建議使用幾何平均法選取 R₁，兼顧設計簡化與性能平衡

設計目標如下（詳見表 1）：

• 感測溫度範圍：指 NTC 所處位置的實際溫度變化範圍。
• 參考電壓：由系統預先給定。
• 輸入與輸出電壓：使用運算放大器時，須確保其輸入與輸出端的電壓符合規格書所定義的操作範圍。以 TLV9002 為例，其輸入電壓範圍為 0.1V 至 (V_DD - 0.1V)。

表1：系統參數與設計目標

圖2：非反向輸入的運算放大器電路 （來源：TI 的技術文件 SBOA323）

計算步驟

電路的輸出電壓公式如下，

步驟 1：取得 NTC 阻值

以 TKS 的 TSM1B103F3381RZ 為例，根據其電阻-溫度曲線或表格，取得上下限溫度對應的阻值。

步驟 2：計算 R1

根據分壓公式，當 R₁ 為最大值且 R_NTC 為最小值時，可得最大非反向輸入電壓 V_{+_max}；反之，當 R₁ 為最小值且 R_NTC 為最大值時，可得最小 V_{+_min}。

整理後得，

整理後得，

將 R_{1_max} 與 R_{1_min} 取幾何平均後，選定標準阻值 R₁ = 2.8kΩ，以兼顧設計簡化。

步驟 3：計算輸入電壓範圍

根據步驟 2 選定的 R₁ 代入公式，確認是否符合運算放大器的輸入規格。

步驟 4：計算 R₃

根據選定的 R₂，並參考附錄公式推導，計算所需的 R₃ 值。

選定標準阻值 R₃ = 430Ω。

步驟 5：計算 V_{O_max} 與 V_{O_min}

根據前述參數，分別計算電路的最大與最小輸出電壓，並確認是否落在放大器的輸出範圍內。

附錄

R3 公式推導

根據公式（1），當 V₊ 為最大值時，可推導出對應的輸出電壓 V_{O_max}，並將 R₃ 移項至等式左側。

試算工具

試算工具下載

結論

本文針對在既有參考電壓（V_REF）條件下設計 NTC 溫度感測電路的挑戰，提出一套完整且可實作的設計流程。傳統設計多以計算 V_REF 為核心，但在某些應用中，V_REF已由系統預設，導致原有方法無法套用。本文即針對此問題，提供一套以「固定 V_REF 為前提」的設計邏輯，並納入運算放大器的輸入與輸出範圍限制，確保電路在實際操作中具備穩定性與可行性。