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適用于電化學傳感器的運算放大器

2023/10/25
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作者:Tom Au-Yeung,產(chǎn)品應(yīng)用工程師

本文將探討適合乙醇和一氧化碳(CO)等電化學氣體傳感器應(yīng)用的運算放大器。還將討論此類應(yīng)用所需的放大器性能,幫助便攜式設(shè)備以更低功耗準確測量乙醇和CO,并獲得更理想的結(jié)果。

簡介

電化學氣體檢測元件需要恒定的偏置才能正常準確地運行,這可能會消耗大量功率。當器件處于空閑或休眠模式時,正常的電源管理系統(tǒng)往往會試圖讓這些器件都保持關(guān)斷狀態(tài)。然而,電化學傳感器需要數(shù)十分鐘甚至幾個小時才能穩(wěn)定下來。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(jié)AA電池消費電子應(yīng)用,所需的偏置電壓通常非常低。 MAX40108是一款低功耗、高精度運算放大器(運放),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。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氣體傳感器等消費電子產(chǎn)品。

概述

圖1顯示了乙醇或CO等電化學傳感器的框圖。系統(tǒng)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。第一個運放U1為電化學傳感器的參比電極供電。第二個運放U2配置為跨導放大器,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行數(shù)字化處理。電壓信號通過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)運算放大器。ES代表電化學傳感器。

圖1.使用MAX40108的電化學傳感器的框圖

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(wěn)定電化學電位,不接觸氣體蒸氣。CE:對電極(CE)。當存在氣體時,CE導電。導電水平與氣體濃度成正比,這樣系統(tǒng)就可以對氣體濃度進行電測量。

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。換句話說,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(yīng)將傳感器放置在預計氣體濃度會擴散到的位置。在此實驗中,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,如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微控制器在內(nèi)整個系統(tǒng)的電流消耗,典型值為90 mA。然而,當VDD = 0.9 V、TA = 25°C時,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,微控制器每10秒喚醒一次,進行乙醇蒸氣監(jiān)測。當存在蒸氣時,微控制器開始測量蒸氣濃度,如藍色曲線所示。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蒸氣濃度的響應(yīng)度,將棉簽移至離傳感器更遠的位置。捕獲的結(jié)果如圖5所示。正如預期的那樣,蒸氣濃度的幅度(藍色曲線)相應(yīng)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(nèi)的電流消耗

圖5.蒸氣遠離SPEC傳感器時乙醇傳感器的性能

CO傳感器評估

與乙醇不同,CO是一種潛在有毒氣體,汽油甚至無害蠟燭燃燒不完全時都會產(chǎn)生一氧化碳。因此,當進行CO氣體實驗時,采取適當?shù)耐L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來捕獲CO氣體濃度。

圖6顯示捕獲到CO氣體,如藍色曲線所示。綠色曲線是包括微控制器在內(nèi)整個系統(tǒng)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,微控制器每10秒喚醒一次,進行CO氣體監(jiān)測。當檢測到該氣體時,微控制器開始測量其濃度,如藍色曲線所示。紅線顯示AA電池電壓約為1.5 V,黃線為CE電壓。

圖6.MAX40108 CO傳感器的性能

結(jié)論

為使消費電子和工業(yè)應(yīng)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器件專為有效捕獲和測量乙醇和CO等常見氣體而設(shè)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,可進一步節(jié)省功耗,對于可穿戴設(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、溫度和接近測量),這一特性優(yōu)勢至關(guān)重要。

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