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適用于電化學(xué)傳感器的運(yùn)算放大器

發(fā)布時(shí)間:2024-08-30 來源:ADI公司 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電化學(xué)氣體檢測(cè)元件需要恒定的偏置才能正常準(zhǔn)確地運(yùn)行,這可能會(huì)消耗大量功率。當(dāng)器件處于空閑或休眠模式時(shí),正常的 電源管理系統(tǒng)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(shù)十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)才能穩(wěn)定下來。因 此,檢測(cè)元件及其偏置電路必須處于“始終接通”狀態(tài)。此 外,對(duì)于使用單節(jié)AA電池的消費(fèi)電子應(yīng)用,所需的偏置電壓通 常非常低。


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(yīng)用的運(yùn)算放大器。還將討論此類應(yīng)用所需的放大器性能,幫助便攜式設(shè)備以更低功耗準(zhǔn)確測(cè)量乙醇和CO,并獲得更理想的結(jié)果。

簡(jiǎn)介

電化學(xué)氣體檢測(cè)元件需要恒定的偏置才能正常準(zhǔn)確地運(yùn)行,這可能會(huì)消耗大量功率。當(dāng)器件處于空閑或休眠模式時(shí),正常的 電源管理系統(tǒng)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(shù)十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)才能穩(wěn)定下來。因 此,檢測(cè)元件及其偏置電路必須處于“始終接通”狀態(tài)。此 外,對(duì)于使用單節(jié)AA電池的消費(fèi)電子應(yīng)用,所需的偏置電壓通 常非常低。

MAX40108是一款低功耗、高精度運(yùn)算放大器(運(yùn)放),工作電源電壓低至0.9 V,專為儀器儀表類應(yīng)用而設(shè)計(jì)。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 時(shí)間和溫度變化,其典型零漂移輸入失調(diào)電壓為1 μV。因此,非 常適合各種低功耗應(yīng)用,例如乙醇和CO氣體傳感器等消費(fèi)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(tǒng)中采用了低壓 運(yùn)算放大器,后者直接由1.5 VAA/AAA電池供電,為電化學(xué)傳感器提 供偏置電流,而系統(tǒng)的其余部分則處于休眠模式,以節(jié)省功耗。 第一個(gè)運(yùn)放U1為電化學(xué)傳感器的參比電極供電。第二個(gè)運(yùn)放U2配 置為跨導(dǎo)放大器,將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出,經(jīng)放大 后由微控制器進(jìn)行數(shù)字化處理。電壓信號(hào)通過MAX44260(即U3) 放大,它是一款1.8 V、15 MHz、低失調(diào)、低功耗、軌到軌輸入/輸出 (I/O)運(yùn)算放大器。ES代表電化學(xué)傳感器。

點(diǎn)擊此處可在線獲取該電化學(xué)傳感器的原理圖。


適用于電化學(xué)傳感器的運(yùn)算放大器圖1. 使用MAX40108的電化學(xué)傳感器的框圖


乙醇傳感器評(píng)估


在乙醇傳感器評(píng)估中,使用的傳感器是圖2所示的SPEC 3SP_Ethanol_ 1000封裝110-202。


適用于電化學(xué)傳感器的運(yùn)算放大器圖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(cè)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(wěn)定電化學(xué) 電位,不接觸氣體蒸氣。
CE:對(duì)電極(CE)。

當(dāng)存在氣體時(shí),CE導(dǎo)電。導(dǎo)電水平與氣體濃度成正比,這樣系 統(tǒng)就可以對(duì)氣體濃度進(jìn)行電測(cè)量。

在該氣體傳感器評(píng)估中,氣體顆粒需要與SPEC傳感器物理接 觸。換句話說,乙醇傳感器基本上只測(cè)量傳感器本身所在位置 存在的氣體。因此,為了準(zhǔn)確有效地檢測(cè)乙醇和CO等氣體,應(yīng) 將傳感器放置在預(yù)計(jì)氣體濃度會(huì)擴(kuò)散到的位置。在此實(shí)驗(yàn)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(lán)色曲線所示。綠色曲線是包括微 控制器在內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗,典型值為90 mA。然而,當(dāng)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(dāng)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(jiān)測(cè)。當(dāng)存在蒸氣時(shí),微控制器開始測(cè)量蒸氣濃度,如藍(lán)色曲 線所示。紅線顯示AA電池電壓約為1.5 V,黃線為CE電壓。

為了觀察乙醇傳感器對(duì)蒸氣濃度的響應(yīng)度,將棉簽移至離傳感 器更遠(yuǎn)的位置。捕獲的結(jié)果如圖5所示。正如預(yù)期的那樣,蒸氣 濃度的幅度(藍(lán)色曲線)相應(yīng)地減小了。


適用于電化學(xué)傳感器的運(yùn)算放大器圖3. 乙醇傳感器的性能

適用于電化學(xué)傳感器的運(yùn)算放大器圖4. 在各種電源電壓下和工作溫度范圍內(nèi)的電流消耗



適用于電化學(xué)傳感器的運(yùn)算放大器圖5. 蒸氣遠(yuǎn)離SPEC傳感器時(shí)乙醇傳感器的性能


CO傳感器評(píng)估

與乙醇不同,CO是一種潛在有毒氣體,汽油甚至無害蠟燭燃燒 不完全時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。因此,當(dāng)進(jìn)行CO氣體實(shí)驗(yàn)時(shí),采 取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施以確保健康和安全非常重要。在CO傳感器評(píng) 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來捕獲CO氣體濃度。

圖6顯示捕獲到CO氣體,如藍(lán)色曲線所示。綠色曲線是包括微控 制器在內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗,典型值為90 mA。

與乙醇評(píng)估一樣,當(dāng)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(jiān)測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到該氣體時(shí),微控制器開始測(cè)量其濃度,如藍(lán)色曲線所示。紅線顯示AA電池電壓約為1.5 V,黃線 為CE電壓。


適用于電化學(xué)傳感器的運(yùn)算放大器圖6. MAX40108 CO傳感器的性能


結(jié)論

為使消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用能夠準(zhǔn)確測(cè)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(yùn)算放大器。MAX40108器 件專為有效捕獲和測(cè)量乙醇和CO等常見氣體而設(shè)計(jì),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(jié)省功耗,對(duì)于可穿戴設(shè)備、 便攜式醫(yī)療系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) (例如壓力、流量、液位、 溫度和接近測(cè)量),這一特性優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。

(來源:ADI公司,作者:Tom Au-Yeung,產(chǎn)品應(yīng)用工程師


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