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作者：Tom Au-Yeung，產(chǎn)品應用工程師，ADI公司 摘要 本文將探討適合乙醇和一氧化碳(CO)等電化學(xué)氣體傳感器應用的運算放大器。還將討論此類(lèi)應用所需的放大器性能，幫助便攜式設備以更低功耗準確測量乙醇和CO，并獲得更理想的結果。 簡(jiǎn)介 電化學(xué)氣體檢測元件需要恒定的偏置才能正常準確地運行，這可能會(huì )消耗大量功率。當器件處于空閑或休眠模式時(shí)，正常的電源管理系統往往會(huì )試圖讓這些器件都保持關(guān)斷狀態(tài)。然而，電化學(xué)傳感器需要數十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)才能穩定下來(lái)。因此，檢測元件及其偏置電路必須處于“始終接通”狀態(tài)。此外，對于使用單節AA電池的消費電子應用，所需的偏置電壓通常非常低。 MAX40108是一款低功耗、高精度運算放大器（運放），工作電源電壓低至0.9 V，專(zhuān)為儀器儀表類(lèi)應用而設計。此外，該器件具有軌到軌輸入和輸出特性，典型電源電流消耗僅25.5 µA，并且隨著(zhù)時(shí)間和溫度變化，其典型零漂移輸入失調電壓為1 µV。因此，非常適合各種低功耗應用，例如乙醇和CO氣體傳感器等消費電子產(chǎn)品。 概述 圖1顯示了乙醇或CO等電化學(xué)傳感器的框圖。系統中采用了低壓運算放大器，后者直接由1.5 V AA/AAA電池供電，為電化學(xué)傳感器提供偏置電流，而系統的其余部分則處于休眠模式，以節省功耗。第一個(gè)運放U1為電化學(xué)傳感器的參比電極供電。第二個(gè)運放U2配置為跨導放大器，將傳感器的電流輸出轉換為電壓輸出，經(jīng)放大后由微控制器進(jìn)行數字化處理。電壓信號通過(guò)MAX44260（即U3）放大，它是一款1.8 V、15 MHz、低失調、低功耗、軌到軌輸入/輸出(I/O)運算放大器。ES代表電化學(xué)傳感器。 
圖1.使用MAX40108的電化學(xué)傳感器的框圖 點(diǎn)擊此處可在線(xiàn)獲取該電化學(xué)傳感器的原理圖。 乙醇傳感器評估 在乙醇傳感器評估中，使用的傳感器是圖2所示的SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202。
圖2.乙醇傳感器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202 此SPEC乙醇傳感器產(chǎn)生與捕獲的氣體量成比例的電流。它是一個(gè)三電極器件：WE、RE和CE。 WE：工作電極。WE偏置電壓為0.7 V，用于檢測氣體蒸氣。 RE：參比電極。此RE在電解質(zhì)中提供0.6 V偏置電壓的穩定電化學(xué)電位，不接觸氣體蒸氣。CE：對電極(CE)。當存在氣體時(shí)，CE導電。導電水平與氣體濃度成正比，這樣系統就可以對氣體濃度進(jìn)行電測量。 在該氣體傳感器評估中，氣體顆粒需要與SPEC傳感器物理接觸。換句話(huà)說(shuō)，乙醇傳感器基本上只測量傳感器本身所在位置存在的氣體。因此，為了準確有效地檢測乙醇和CO等氣體，應將傳感器放置在預計氣體濃度會(huì )擴散到的位置。在此實(shí)驗中，將棉簽浸入乙醇溶液中，并將其放在SPEC傳感器的正前方。 圖3顯示捕獲到乙醇蒸氣，如藍色曲線(xiàn)所示。綠色曲線(xiàn)是包括微控制器在內整個(gè)系統的電流消耗，典型值為90 mA。然而，當VDD = 0.9 V、TA = 25°C時(shí)，MAX40108本身的電流消耗僅為25.5 µA，如圖4所示。 當處于空閑模式時(shí)，微控制器每10秒喚醒一次，進(jìn)行乙醇蒸氣監測。當存在蒸氣時(shí)，微控制器開(kāi)始測量蒸氣濃度，如藍色曲線(xiàn)所示。紅線(xiàn)顯示AA電池電壓約為1.5 V，黃線(xiàn)為CE電壓。 為了觀(guān)察乙醇傳感器對蒸氣濃度的響應度，將棉簽移至離傳感器更遠的位置。捕獲的結果如圖5所示。正如預期的那樣，蒸氣濃度的幅度（藍色曲線(xiàn)）相應地減小了。
圖3.乙醇傳感器的性能
圖4.在各種電源電壓下和工作溫度范圍內的電流消耗
圖5.蒸氣遠離SPEC傳感器時(shí)乙醇傳感器的性能 CO傳感器評估 與乙醇不同，CO是一種潛在有毒氣體，汽油甚至無(wú)害蠟燭燃燒不完全時(shí)都會(huì )產(chǎn)生一氧化碳。因此，當進(jìn)行CO氣體實(shí)驗時(shí)，采取適當的通風(fēng)措施以確保健康和安全非常重要。在CO傳感器評估中，我們使用蠟燭在遮住的廣口瓶中產(chǎn)生CO氣體，并使用相同的傳感器SPEC 3SP_Ethanol_1000封裝110-202來(lái)捕獲CO氣體濃度。 圖6顯示捕獲到CO氣體，如藍色曲線(xiàn)所示。綠色曲線(xiàn)是包括微控制器在內整個(gè)系統的電流消耗，典型值為90 mA。 與乙醇評估一樣，當處于空閑模式時(shí)，微控制器每10秒喚醒一次，進(jìn)行CO氣體監測。當檢測到該氣體時(shí)，微控制器開(kāi)始測量其濃度，如藍色曲線(xiàn)所示。紅線(xiàn)顯示AA電池電壓約為1.5 V，黃線(xiàn)為CE電壓。
圖6.MAX40108 CO傳感器的性能 結論 為使消費電子和工業(yè)應用能夠準確測量乙醇和CO氣體，需要一種工作電源電壓低至0.9 V的低功耗、高精度運算放大器。MAX40108器件專(zhuān)為有效捕獲和測量乙醇和CO等常見(jiàn)氣體而設計，電流消耗低至25.5 µA，尺寸僅為1.22 mm × 0.92 mm，采用8引腳WLP封裝。該放大器具有關(guān)斷模式，可進(jìn)一步節省功耗，對于可穿戴設備、便攜式醫療系統和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)（例如壓力、流量、液位、溫度和接近測量），這一特性?xún)?yōu)勢至關(guān)重要。 關(guān)于作者 Tom已在Maxim（現為ADI公司的一部分）工作了20多年。他在射頻/無(wú)線(xiàn)和模擬技術(shù)方面，例如混頻器、放大器、功率放大器、壓控振蕩器、ADC和DAC等，擁有豐富的經(jīng)驗。 他擁有加州州立理工大學(xué)（美國加利福尼亞州圣路易斯奧比斯波）的電氣工程學(xué)士學(xué)位和圣克拉拉大學(xué)（美國加利福尼亞州圣克拉拉）的電氣工程碩士學(xué)位。 |
