應(yīng)用筆記

LTC833x

電化學(xué)氣體傳感器電路分析

電化學(xué)氣體傳感器的普及可以歸因于其線性輸出、低功耗要求和良好的分辨率,一旦根據(jù)目標(biāo)氣體的已知濃度進(jìn)行校準(zhǔn)，其測量的重復(fù)性和精度也非常好。數(shù)十年來技術(shù)的發(fā)展，讓這些傳感器可以對特定氣體類型提供非常好的選擇性。

由于其優(yōu)點(diǎn)眾多，工業(yè)應(yīng)用（例如用于保護(hù)工人安全的有毒氣體檢測）率先采用了電化學(xué)傳感器。這些傳感器的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性促進(jìn)了區(qū)域有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)的部署，確保了采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠、食品生產(chǎn)、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

在美國， 國家職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)和美國政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會議(ACGIH)已規(guī)定了許多有毒工業(yè)氣體的短時(shí)間和長時(shí)間接觸限值。

“長時(shí)間接觸限值” (TLV-TWA)是指大多數(shù)工人可以在正常 8 小時(shí)工作日內(nèi)反復(fù)接觸而不會受到有害影響的時(shí)間加權(quán)平均濃度。

“短時(shí)間接觸限值”(TLV-STEL)是指大多數(shù)工人可以短時(shí)間接觸而不會受到刺激或傷害的濃度。

“立即威脅生命或健康的濃度” (IDLHC)是一種限制性濃度，它會對生命立即或緩慢產(chǎn)生威脅，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的健康損害，或者影響工人獨(dú)立逃生的能力。表 1 列出了幾種常見氣體的限值。

圖一給出了該便攜式氣體探測器的電路。雙通道微功耗放大器LTC833x在恒電位配置(U2-A)和跨導(dǎo)配置(U2-B)下使用

圖一

電化學(xué)氣體傳感器—恒電位電路設(shè)計(jì)

LINEARIN #LTC8332

01

三電極的介紹

為了操作電化學(xué)傳感器，需要控制電路，稱為恒電位電路。對于三電極傳感器，主要目的是維持參考電極（RE）和工作電極（WE）之間的電壓，以控制電化學(xué)反應(yīng)并輸出與產(chǎn)生的電流成比例的輸出信號

傳感器響應(yīng)目標(biāo)氣體，氧化或還原氣體，產(chǎn)生與氣體濃度成比例的電流。這個(gè)電流必須通過反電極（CE）提供給傳感器。

當(dāng)檢測到氣體時(shí)，傳感器電流上升，并且反電極相對于參考極化，反電極的電位并不重要，只要電路能提供足夠的電壓和電流來維持工作電極的正確電位即可。

02

測量電路設(shè)計(jì)

運(yùn)放U2-A提供工作電極需要的電流，輸入偏置電流要求小于5nA，其中有毒氣體傳感器的電容特別大，小偏移容易引起大震蕩，所以要有低的失調(diào)電壓，小于1mV甚至小于100μV最好。

運(yùn)放U2-B, I/V轉(zhuǎn)換，把傳感器電流轉(zhuǎn)換為與氣體濃度成正比的電壓

C5降低高頻噪聲

R5,C6組成低通濾波器

為什么采用U1產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓？比如 在一氧化碳情況下發(fā)生的是氧化；因此，電流會流入工作電極WE，這要求反電極CE相對于工作電極WE處于負(fù)電壓(通常為300 mV至400 mV)。驅(qū)動CE引腳的運(yùn)算放大器相對于VREF應(yīng)具有±1 V的輸出電壓范圍, 為了采用單電源供電，這個(gè)基準(zhǔn)電壓源2.5V做偏置電壓

R4的作用以及取值：R4與傳感器內(nèi)部的電容組成RC電路，R4的選擇需要在最快響應(yīng)時(shí)間和最佳噪聲之間的折中,當(dāng)傳感器電流流過R4時(shí)，傳感器偏置電位Bias會有一個(gè)小的變化，這增加了傳感器穩(wěn)定時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間隨R4的增加呈線性增加，噪聲隨R4的增加迅速減小，R4的取值一般小于100Ω，比如33Ω

Q1和R3的作用，電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要特性是極長的時(shí)間常數(shù)。首次上電時(shí)，輸出建立最終值可能需要幾分鐘。當(dāng)暴露于目標(biāo)氣體中，濃度階躍為量程的一半時(shí)，傳感器輸出達(dá)到最終值的90%所需的時(shí)間可在25秒至40秒之間。如果RE與WE引腳間的電壓產(chǎn)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(gè)較長的時(shí)間常數(shù)也同樣適用于傳感器周期供電的情況。為避免啟動時(shí)間過長，當(dāng)電源電壓降至JFET的柵極-源極閾值電壓(約2.0 V)以下時(shí)， P溝道JFETQ1將RE引腳與WE引腳短接, 只要通電，P溝道JFET為開路的狀態(tài)。

結(jié)合圖一電路和氣體傳感器規(guī)格進(jìn)行計(jì)算

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典型一氧化碳傳感器規(guī)格

跨阻放大器U2-B的輸出電壓為：

VO = 2.5 V + IWE × R8 其中IWE是流入WE引腳的電流，R8是跨阻反饋電阻

CO-AX傳感器的最大響應(yīng)是100 nA/ppm，其最大輸入范圍為2000 ppm的一氧化碳。根據(jù)這些數(shù)值可知，最大輸出電流為200 μA，

VO = 2.5V + 2000ppm X 100nA/ppm X R8

VO = 2.5V + 200μA X 11.5KΩ=4.8V （1）

電阻R4選擇33Ω時(shí)，

噪聲增益NG=1+ 11.5K/33=349 （2）

跨阻放大器的輸入噪聲在輸出端表現(xiàn)為噪聲增益放大，對于本電路，我們僅僅關(guān)注低頻噪聲，因?yàn)殡娀瘜W(xué)傳感器的噪聲極低，LTC8332在0.1Hz至10Hz的輸入電壓噪聲為1.1μVpp

Voutput noise= 1.1μV X NG=0.384mVpp （3）

由于這是極低頻1/f噪聲，相當(dāng)于0.5ppm的氣體濃度，所以很難濾除。然而，傳感器響應(yīng)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(yīng)時(shí)間相比，它對傳感器響應(yīng)時(shí)間的影響也可忽略

系統(tǒng)無噪聲碼由峰峰值輸出噪聲確定。 LTC8332的最大輸出電壓為4.8 V，因此無噪聲數(shù)：

總無噪聲數(shù)= 4.8V/0.384mV=12500 (4)

無噪聲碼分辨率等于：

無噪聲碼分辨率= log2(12500)=13.6位 (5)

LTC833x

產(chǎn)品信息

LTC833x系列是350KHz, 26uA, 最大失調(diào)電壓15uV, 1.1uVpp的低頻噪聲零漂運(yùn)放，采用專利快速步進(jìn)響應(yīng)斬波穩(wěn)態(tài)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)極低的失調(diào)電壓和近乎為零的溫度及時(shí)間漂移。

LTC833x憑借其零漂移架構(gòu)帶來的極低失調(diào)、低漂移、低偏置電流以及微功耗特性，非常適合構(gòu)建高性能電化學(xué)氣體傳感器信號調(diào)理電路。它能夠顯著降低系統(tǒng)校準(zhǔn)成本，提高長期穩(wěn)定性，并延長便攜式儀器的電池續(xù)航時(shí)間。對于需要雙通道的應(yīng)用（如帶偏置的傳感器或同時(shí)檢測溫度），LTC8332（雙通道）可以在保持精簡BOM的同時(shí)提供對稱的高精度性能。四通道版本LTC8334更適用于多傳感器陣列的氣體檢測模塊。

01

主要規(guī)格

高直流精度：最大失調(diào)電壓±35 μV，最大漂移±50 nV/°C

低噪聲：0.1~10 Hz峰峰值噪聲1.1 μV；電壓噪聲密度57 nV/√Hz @1 kHz

增益帶寬積：350 kHz，壓擺率0.22 V/μs

低功耗：每通道靜態(tài)電流僅26 μA（典型值）

供電范圍：1.8 V至5.5 V單電源，或±0.9 V至±2.75 V雙電源

輸入輸出特性：軌到軌輸入/輸出，輸入共模電壓可低于負(fù)軌100 mV

穩(wěn)健性：集成RF/EMI濾波器，過驅(qū)動無相位反轉(zhuǎn)，ESD保護(hù)達(dá)4 kV HBM

封裝：SOIC-8L、MSOP-8L、DFN2×2-8L，工作溫度-40°C~+125°C

02

在電化學(xué)氣體傳感器領(lǐng)域的核心優(yōu)勢：

極低輸入偏置電流（典型70 pA）：最大限度減小傳感器負(fù)載，保證低濃度測量的準(zhǔn)確性。

零漂移架構(gòu)：消除1/f噪聲，長期和溫度漂移極低，系統(tǒng)無需頻繁調(diào)零或溫度補(bǔ)償。

超低失調(diào)電壓（典型3 μV）：支持直接采用高阻值反饋電阻（幾兆歐），獲得高靈敏度同時(shí)不引入明顯零點(diǎn)誤差。

低功耗（26 μA）：使便攜式氣體檢測儀待機(jī)時(shí)間延長50%以上。

單電源軌到軌：簡化電池供電設(shè)計(jì)，輸出擺幅接近電源軌，提高ADC動態(tài)范圍利用率。

集成EMI濾波器：在工業(yè)現(xiàn)場或無線通信環(huán)境中保持測量穩(wěn)定。

LTC833x /Linearin

LTC833x是電化學(xué)氣體傳感器信號調(diào)理的優(yōu)選方案，尤其適用于一氧化碳、氧氣、硫化氫等低成本、長壽命的便攜式及工業(yè)安全檢測設(shè)備。如需更詳細(xì)的電氣參數(shù)和應(yīng)用支持，請?jiān)L問先積集成官網(wǎng)或聯(lián)系銷售。