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(lái)。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 ?A，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1μV,。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 V AA/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(guò)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。

　　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,。

　　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(shuō),，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)V_DD = 0.9 V、T_A = 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。

　　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(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(wú)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(lái)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,。

　　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25.5μA,，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。

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