使用電化學(xué)傳感器的單電源、微功耗有毒氣體探測(cè)器電路設(shè)計(jì)

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)：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(cè)器。本示例中使用Alphasense CO-AX一氧化碳傳感器。對(duì)于檢測(cè)或測(cè)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(shì)。大多數(shù)傳感器都是針對(duì)特定氣體而設(shè)計(jì)，可用分辨率小于氣體濃度的百萬(wàn)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 A。此外，ADR291精密、低噪聲、微功耗基準(zhǔn)電壓源的功耗僅為12 A，可建立2.5 V共模偽地基準(zhǔn)電壓。

　　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 A。圖1所示電路（不包括AD7798 ADC）的總功耗在正常條件下（未探測(cè)到氣體）約為110 A，在最差條件下（探測(cè)到2000 ppmCO）約為460 A。AD7798工作時(shí)的功耗約為180 A（G = 1，緩沖模式），節(jié)能模式下僅為1 A。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(cè)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(guò)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(guò)改變輔助反電極（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(huì)流入工作電極，這要求輔助反電極相對(duì)于工作電極處于負(fù)電壓（通常為300 mV至400 mV）。驅(qū)動(dòng)CE引腳的運(yùn)算放大器相對(duì)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。

　　流入WE引腳的電流對(duì)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導(dǎo)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(wú)電流流動(dòng)。這意味著電流從WE引腳流出，隨氣體濃度呈現(xiàn)線性變化。跨阻放大器U2-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(jiàn)類型的一氧化碳傳感器相關(guān)的典型規(guī)格。