使用電化學(xué)傳感器的單電源、微功耗有毒氣體探測器

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是使用電化學(xué)傳感器的單電源、低功耗、電池供電、便攜式氣體探測器。本示例中使用Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器。

對于檢測或測量多種有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項(xiàng)優(yōu)勢。大多數(shù)傳感器都是針對特定氣體而設(shè)計(jì)，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一（ppm），所需工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。

圖1所示電路使用雙通道微功耗放大器ADA4505-2，該器件在室溫下的最大輸入偏置電流為2 pA，每個(gè)放大器的功耗僅為10 μA。此外，ADR291 精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源的功耗僅為12 μA，可建立2.5 V共模偽地基準(zhǔn)電壓。

圖1. 低功耗氣體探測器電路

ADP2503 高效率、降壓/升壓調(diào)節(jié)器支持兩節(jié)AAA電池的單電源供電，在節(jié)能模式下的功耗僅為38 μA。

圖1所示電路（不包括 AD7798 ADC）的總功耗在正常條件下（未探測到氣體）約為110 μA，在最差條件下（探測到2000 ppm CO）約為460 μA。AD7798工作時(shí)的功耗約為180 μA（G = 1，緩沖模式），節(jié)能模式下僅為1 μA。

由于電路功耗極低，兩節(jié)AAA電池便可提供合適的電源。當(dāng)連接到ADC和微控制器或者內(nèi)置ADC的微控制器時(shí)，電池壽命可從6個(gè)月以上到一年以上不等。

電路描述

圖2顯示電化學(xué)傳感器測量電路的原理示意圖。電化學(xué)傳感器的工作原理是允許氣體通過薄膜擴(kuò)散到傳感器內(nèi)，并與工作電極（WE）相互作用。傳感器參考電極（RE）提供反饋，以便通過改變反電極（CE）上的電壓保持WE引腳的恒定電位。WE引腳上的電流方向取決于發(fā)生的反應(yīng)是氧化還是還原。在一氧化碳情況下發(fā)生的是氧化；因此，電流會流入工作電極，這要求反電極相對于工作電極處于負(fù)電壓（通常為300 mV至400 mV）。驅(qū)動CE引腳的運(yùn)算放大器相對于 VREF應(yīng)具有±1 V的輸出電壓范圍，以便為不同類型的傳感器（Alphasense應(yīng)用筆記AAN-105-03，設(shè)計(jì)恒電位電路，Alphasense公司）提供充足裕量。

圖2. 簡化電化學(xué)傳感器電路

流入WE引腳的電流對于每ppm氣體濃度低于100 nA；因此將此電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓需要具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器。ADA4505-2運(yùn)算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為2 pA的CMOS輸入，因此很適合這種應(yīng)用。

2.5 V ADR291為電路建立偽地基準(zhǔn)電壓，因此支持單電源供電同時(shí)消耗極低的靜態(tài)電流。

放大器U2-A從CE引腳吸取足夠的電流，以便在傳感器的WE和RE引腳間保持0 V電位。RE引腳連接到U2-A的反相輸入；因此其中無電流流動。這意味著電流從WE引腳流出，隨氣體濃度呈現(xiàn)線性變化?？缱璺糯笃鱑2-B將傳感器電流轉(zhuǎn)換為與氣體濃度成正比的電壓。

此電路筆記選擇的傳感器是Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器。表1顯示與此常見類型的一氧化碳傳感器相關(guān)的典型規(guī)格。

警告：一氧化碳是有毒氣體，一旦濃度高于250 ppm便有危險(xiǎn)；測試本電路時(shí)應(yīng)格外小心。

跨阻放大器的輸出電壓為：

其中IWE是流入WE引腳的電流， RF 是跨阻反饋電阻（圖1中顯示為R8）。

CO-AX傳感器的最大響應(yīng)是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。因此，最大輸出電流為200 μA，最大輸出電壓由跨阻電阻決定，如公式2所示。

使用5 V電源為電路供電可在跨阻放大器U2-B的輸出端產(chǎn)生2.5 V的可用范圍。為跨阻反饋電阻選擇11.5 kΩ電阻可提供4.8 V的最大輸出電壓，從而提供大約8%的超量程能力。

傳感器使用65 nA/ppm的典型響應(yīng)時(shí)，公式3顯示與一氧化碳的ppm有函數(shù)關(guān)系的電路輸出電壓。

電阻R4將噪聲增益保持在合理水平。選擇此電阻的值需權(quán)衡兩個(gè)因素決定：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)間誤差。對于本例，R4 = 33 Ω，由此可計(jì)算噪聲增益等于349，如公式4所示。

跨阻放大器的輸入噪聲在輸出端表現(xiàn)為由噪聲增益放大。對于本電路，我們僅關(guān)注低頻噪聲，因?yàn)閭鞲衅鞴ぷ黝l率極低。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p；因此，輸出端噪聲為1.03 mV p-p，如公式5所示。

由于這是極低頻1/f噪聲，所以很難濾除。然而，傳感器響應(yīng)也極低；因此可以利用這一點(diǎn)，使用截止頻率為0.16 Hz的極低頻率低通濾波器（R5和C6）。即使是這樣的低頻濾波器，與30秒的傳感器響應(yīng)時(shí)間相比，它對傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響也可忽略。

電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要特性是極長的時(shí)間常數(shù)。首次上電時(shí)，輸出建立最終值可能需要幾分鐘。當(dāng)暴露于目標(biāo)氣體濃度的中量程階躍時(shí)，傳感器輸出達(dá)到最終值的90%所需的時(shí)間可在25秒至40秒之間。如果RE與WE引腳間的電壓產(chǎn)生劇烈幅度變化，傳感器輸出電流建立最終值可能需要幾分鐘。這也同樣適用于傳感器周期供電的情況。為避免啟動時(shí)間過長，當(dāng)電源電壓降至JFET的柵極-源極閾值電壓（約2.5 V）以下時(shí)，P溝道JFET Q1將RE引腳與WE引腳短接。

兩節(jié)AAA電池或2.3 V至5.5 V電源為此電路供電。Q2提供反向電壓保護(hù)，ADP2503將輸入電源調(diào)節(jié)至傳感器供電所需的5 V電壓。

常見變化

如果使用可編程變阻器（如AD5271），而不是固定跨阻電阻（R8），本電路就可以用于不同的氣體傳感器，而無需改變材料清單。AD5271提供20 kΩ、50 kΩ或100 kΩ的標(biāo)稱電阻值。由于有256個(gè)跳變位置，因此100 kΩ選項(xiàng)的階躍為390.6 Ω。AD5271的電阻溫度系數(shù)為5 ppm/°C，優(yōu)于大多數(shù)分立電阻；其電源電流為1 μA，對系統(tǒng)功耗的影響極小。

雖然兩節(jié)AAA電池就能為圖1所示電路供電數(shù)月之久，一些應(yīng)用可能需要使用外部電源運(yùn)行。實(shí)施雙電源配置的最有效方式是使用內(nèi)置開關(guān)且具有機(jī)械斷開特性的電源插座，在將外部電源插頭插入插座時(shí)可自動移除電池電源。

本文所述電路具有極低的功耗。使用兩個(gè) ADA4528-1 運(yùn)算放大器代替ADA4505-2可大幅降低噪聲，提高精度，但功耗也會增加。ADA4528-1具有實(shí)際為零的失調(diào)漂移和業(yè)界領(lǐng)先的低輸入電壓噪聲。

同樣，ADR3425 可取代ADR291，從而獲得極低溫漂；但代價(jià)是功耗增加。

最后，圖1所示電路適用于與12位ADC接口，例如大多數(shù)混合信號微控制器中的內(nèi)置轉(zhuǎn)換器。

對于必須測量氣體濃度ppm比例的應(yīng)用，使用ADA4528-1和ADR3425使得電路性能適合與16位ADC接口，例如AD7798或AD7171。