電路功能與優勢

圖1所示電路是使用電化學傳感器的單電源、低噪聲、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，電化學傳感器能夠提供多項優勢。大多數傳感器都是針對特定氣體而設計，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一(ppm)，圖1中的電路采用ADA4528-2，它是一款雙通道自穩零型放大器，室溫下的最大失調電壓為2.5 µV，具有出色的5.6 µV/√Hz電壓噪聲密度性能。此外，AD5270-20采用可編程變阻器而非固定跨阻電阻，允許針對不同的氣體傳感器系統進行快速原型制作，無需更改物料清單。

ADR3412精密、低噪聲、微功耗基準電壓源能以0.1%精度和8 ppm/°C漂移給傳感器建立一個1.2 V共模、虛地參考電壓。

對于必須測量氣體濃度ppm比例的應用，使用ADA4528-2和ADR3412使得電路性能適合與16位ADC接口，例如AD7790。

圖1.低噪聲氣體探測器電路（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述

圖2顯示電化學傳感器測量電路的原理示意圖。電化學傳感器的工作原理是允許氣體通過薄膜擴散到傳感器內，并與工作電極(WE)相互作用。傳感器參考電極(RE)向放大器U2-A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傳感器內發生的反應是氧化還是還原。一氧化碳傳感器發生的是氧化；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電壓（通常為300 mV至400 mV）。驅動CE引腳的運算放大器相對于VREF應具有±1 V的輸出電壓范圍，以便為不同類型的傳感器（Alphasense應用筆記AAN-105-03，設計恒電位電路，Alphasense公司）提供充足裕量。

圖2.簡化電化學傳感器電路

流入WE引腳的電流小于100 nA每ppm氣體濃度；因此，將此電流轉換為輸出電壓需要具有極低輸入偏置電流的跨阻放大器。ADA4528-2運算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為220 pA的CMOS輸入，因此很適合這種應用。ADR3412為電路建立虛地參考電壓，因此支持單電源供電，同時靜態電流極低（最大值為100 µA）。

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引腳連接到放大器U2-A的反相輸入，因此其中無電流流動。這意味著從WE引腳來的電流，隨氣體濃度呈現線性變化。跨阻放大器U2-B將傳感器電流轉換為與氣體濃度成正比的電壓。

此電路選擇的傳感器是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的典型規格。

警告：一氧化碳是有毒氣體，一旦濃度高于250 ppm便有危險；因此，測試本電路時應格外小心。  

表1.典型一氧化碳傳感器規格

跨阻放大器的輸出電壓為：

其中：IWE為流入WE引腳的電流。

RF為跨阻反饋電阻（圖1中顯示為AD5270-20 U3-B變阻器）。

CO-AX傳感器的最大響應是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。根據這些數值可知，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。

將1.2 V電壓施加到AD7790的VREF可讓跨阻放大器U2-B的輸出端具有±1.2 V可用電壓。跨阻反饋電阻選擇6.0 kΩ電阻可提供2.4 V的最大輸出電壓。

公式3顯示使用65 nA/ppm的傳感器典型響應時，電路輸出電壓與一氧化碳的ppm所呈現的函數關系。

數字電位器AD5270-20標稱電阻值為20 kΩ。由于有1024個電阻檔位，因此電阻階躍為19.5 Ω。AD5270-20的電阻溫漂為5 ppm/°C，優于大多數分立電阻；其電源電流為1 µA，對系統總功耗的影響極小。

電阻R4將噪聲增益保持在合理水平。選擇此電阻的值需權衡兩個因素決定：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對于公式4中的示例而言，R4 = 33 Ω，由此可計算噪聲增益等于183。

跨阻放大器的輸入噪聲通過噪聲增益在輸出端放大。對于本電路，只需關注低頻噪聲，因為傳感器工作頻率極低。ADA4528-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為97 nV p-p；因此，輸出端噪聲為18 μV pp，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，傳感器響應也極低；因此可以使用截止頻率為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秒的傳感器響應時間相比，它對傳感器響應時間的影響也可忽略。

系統無噪聲分辨率由峰峰值輸出噪聲確定。ADA4528-2的最大輸出電壓為2.4 V，因此無噪聲數為：  

無噪聲分辨率等于：

為了利用全部ADC范圍(±1.2 V)，選擇微功耗、軌到軌輸入/輸出放大器AD8500來驅動AD7790。如果不需要用到整個范圍，那么可以移除AD8500，代之以AD7790內部緩沖器。

電化學傳感器的一個重要特性是極長的時間常數。首次上電時，輸出建立最終值可能需要幾分鐘。當暴露于目標氣體中，濃度階躍為量程的一半時，傳感器輸出達到最終值的90%所需的時間可在25秒至40秒之間。如果RE與WE引腳間的電壓產生劇烈幅度變化，傳感器輸出電流建立最終值可能需要幾分鐘。這個較長的時間常數也同樣適用于傳感器周期供電的情況。為避免啟動時間過長，當電源電壓降至JFET的柵極-源極閾值電壓（約2.0 V）以下時，P溝道JFET Q1將RE引腳與WE引腳短接。

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