低功耗有毒氣體探測器的設(shè)計(jì)

　　圖2給出了該便攜式氣體探測器的電路。雙通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒電位配置（U2-A）和跨導(dǎo)配置（U2-B）下使用。該放大器的功耗和輸入偏置電流非常低，對(duì)于恒電位部分和跨導(dǎo)部分都是很好的選擇。每個(gè)放大器的功耗僅10 μA，因此電池壽命非常長。

圖2. 使用電化學(xué)傳感器的便攜式氣體探測器

　　在三電極電化學(xué)傳感器中，目標(biāo)氣體擴(kuò)散到傳感器，通過一層薄膜后作用于工作電極（WE）。恒電位電路檢測參考電極（RE）的電壓，并向輔助電極（CE）提供電流，使RE端與WE端之間的電壓保持恒定。RE端沒有電流流進(jìn)或流出，因此流出CE端的電流流進(jìn)WE端，該電流與目標(biāo)氣體濃度成正比。流過WE端的電流可能是正值，也可能是負(fù)值，具體取決于傳感器中發(fā)生的是還原反應(yīng)還是氧化反應(yīng)。對(duì)于一氧化碳，發(fā)生氧化時(shí)，CE端電流為負(fù)值（電流流入恒電位運(yùn)算放大器的輸出端）。電阻R4通常非常小，因此WE端的電壓約等于VREF.

　　流入WE端的電流會(huì)導(dǎo)致U2-A的輸出端產(chǎn)生相對(duì)于WE端的負(fù)電壓。對(duì)于一氧化碳傳感器，此電壓通常為數(shù)百毫伏，但對(duì)于其它類型的傳感器，此電壓可能高達(dá)1 V。為采用單電源供電，微功耗基準(zhǔn)電壓源 ADR291（U1）將整個(gè)電路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗僅12 μA；它還能提供基準(zhǔn)電壓，以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器可對(duì)此電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理。

　　跨導(dǎo)放大器的輸出電壓為：

　　其中：

　　IWE 為流入WE端的電流。

　　Rf 為跨導(dǎo)電阻（在圖2中顯示為U4）。

　　傳感器的最大響應(yīng)為90 nA/ppm，如表2所示，其最大輸入范圍為2，000 ppm。因此，最大輸出電流為180 μA，最大輸出電壓由跨導(dǎo)電阻決定，如公式2所示。

　　針對(duì)不同氣體或來自不同制造商的傳感器具有不同的電流輸出范圍。如果U4使用可編程變阻器AD5271，而不是固定電阻，就可以針對(duì)不同的氣體傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)和材料。此外，這樣的產(chǎn)品還支持調(diào)換傳感器，因?yàn)槲⒖刂破骺梢葬槍?duì)不同的氣體傳感器，將AD5271設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚?。AD5271的溫度系數(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(duì)系統(tǒng)功耗的影響極小。

　　采用5 V單電源供電時(shí)，根據(jù)公式1可知，跨導(dǎo)放大器U2-B的輸出范圍為2.5 V。如果將AD5271設(shè)置為12.5 kΩ，就可以利用傳感器最差靈敏度情況下的范圍，并能提供大約10%的超量程能力。

　　使用65 nA/ppm的典型傳感器響應(yīng)，可以通過下式將輸出電壓轉(zhuǎn)換為一氧化碳的ppm：

　　采用差分輸入ADC時(shí)，只需將2.5 V基準(zhǔn)電壓輸出端連接到ADC的AIN-端，從而消除公式3中的2.5 V項(xiàng)。

　　電阻R4使跨導(dǎo)放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權(quán)衡兩個(gè)因素：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(duì)于本電路，R4 = 33 Ω，由此可計(jì)算噪聲增益等于380，如公式4所示。

　　跨導(dǎo)放大器的輸入噪聲應(yīng)乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p，因此輸出端的噪聲為：

　　該輸出噪聲相當(dāng)于1.3 ppm p-p以上的氣體濃度，這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應(yīng)非常慢，因此由R5和C6構(gòu)成的低通濾波器可以具有0.16 Hz的截止頻率。此濾波器的時(shí)間常數(shù)為1秒，與傳感器的30秒響應(yīng)時(shí)間相比可忽略不計(jì)。

　　Q1為P溝道JFET。電路啟動(dòng)時(shí)，柵極電壓為VCC，晶體管斷開。系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)，柵極電壓降至0 V，JFET開啟，使RE端和WE端保持相同的電位。當(dāng)電路再次啟動(dòng)時(shí)，這可以大大改善傳感器的開啟建立時(shí)間。

　　該電路由兩節(jié)AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護(hù)會(huì)浪費(fèi)寶貴的電能，因此本電路使用P溝道MOSFET （Q2）。該MOSFET通過阻塞反向電壓來保護(hù)電路，施加正電壓時(shí)導(dǎo)通。MOSFET的導(dǎo)通電阻小于100 mΩ，因此它引起的壓降遠(yuǎn)小于二極管。除AAA電池以外，降壓-升壓調(diào)節(jié)器ADP2503還允許使用最高5.5 V的外部電源。在省電模式下工作時(shí)，ADP2503的功耗僅38 μA。由L2、C12和C13構(gòu)成的濾波器可消除模擬電源軌產(chǎn)生的任何開關(guān)噪聲。連接外部電源時(shí)，該儀表不是通過一個(gè)電路來斷開電池，而是利用一個(gè)插孔以機(jī)械方式斷開電池，從而避免電能浪費(fèi)。

　　使用AAA電池時(shí)，正常情況（未檢測到氣體）下的總功耗約為100 μA，最差情況（檢測到2，000 ppm CO）下的總功耗約為428 μA。如果該儀表與一個(gè)微控制器相連，在不進(jìn)行測量時(shí)可進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，則電池壽命可達(dá)1年以上。