使用1V運算放大器徹底改變您的電化學(xué)傳感器系統(tǒng)

本應(yīng)用筆記介紹了一種為電化學(xué)檢測電路供電的新型架構(gòu)，并解釋了MAX40108低功耗、高精度運算放大器和1.0V電源電壓如何使系統(tǒng)受益。

介紹

電化學(xué)傳感器通常用于醫(yī)療保健的可穿戴設(shè)備，例如血糖傳感器。它還廣泛用于便攜式設(shè)備中，以檢測各種氣體，包括乙醇、氧氣、CO 和 CO2。大多數(shù)由1.5V單節(jié)電池供電的電化學(xué)傳感器應(yīng)用使用恒電位電路來控制電化學(xué)傳感器電極的電位。該電路將檢測電流轉(zhuǎn)換為電壓，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和微控制器單元 （MCU） 處理物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)中的電壓信號。還包括一個藍牙模塊，用于將信息從 MCU 傳輸?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/107/" target="_blank">手機或其他設(shè)備（圖 1）。功耗是此類應(yīng)用中的關(guān)鍵指標。在初始上電期間，充電電流通過電極，傳感器需要 30 分鐘到 24 小時才能穩(wěn)定下來。為了達到精度，恒電位電路和電化學(xué)傳感器需要保持隨時可用，即使設(shè)備關(guān)閉也是如此。為了節(jié)省恒電位電路的功耗，1.0V運算放大器作為革命性的解決方案上市，采用新的檢測架構(gòu)，可將電池壽命延長近一倍。?

恒電位電路工作原理

電化學(xué)傳感器（見圖1）由三個電極組成：工作電極（WE）/傳感電極、對電極（CE）和參比電極（RE）。液體電解質(zhì)與所有三個電極接觸。

圖1.電化學(xué)傳感器圖。

電化學(xué)傳感器通過與目標氣體反應(yīng)來工作，并產(chǎn)生與氣體濃度成比例的電流。氣體在WE處測量，其中電子來自通過外部恒電位電路進出WE的電化學(xué)反應(yīng)流。CE用作電流源或電壓電源，提供電流和驅(qū)動WE所需的任何電壓。在連續(xù)的電化學(xué)反應(yīng)過程中，WE的電位本身不能保持不變。RE必須保持WE附近的電位并提供參考電位點。任何電流都不應(yīng)流入或流出 RE。

電化學(xué)傳感器的輸出電流與酒精濃度成正比。為了保持線性度，使用恒電位電路來控制每個電極的電位，并將WE處的檢測電流轉(zhuǎn)換為電壓。圖2所示為簡化的恒電位電路圖。

圖2.簡化的恒電位電路圖。

使用SPEC乙醇傳感器是因為其在WE和RE兩端的推薦偏置電壓為+100mV。在圖2中，恒電位電路由兩個運算放大器U1和U2組成。U2用作電流跟隨器，將電流從WE轉(zhuǎn)換為電壓。基準電壓源在U2的同相輸入端提供+700mV電壓，使WE保持+700mV的電位。來自WE的電流來自CE。U1用作電流源和電壓源。U1反相輸入為RE提供高阻抗輸出，不允許電流流入或流出RE。如前所述，RE需要測量WE附近的電位并提供參考電位點。RE與CE一起構(gòu)成了U1的反饋環(huán)路，而CE處的電壓足以提供從CE到WE的電流。RE的電位保持在恒定水平，并通過U1同相輸入端的電阻表示W(wǎng)E;在本例中為100mV。?

節(jié)能架構(gòu)

如圖3所示，1.5V單節(jié)電池直接向兩個運算放大器提供電源電壓，并跳過與傳統(tǒng)設(shè)計不同的1.8V毫微功耗升壓器。在比較新架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)時，傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)使用電池供電的升壓穩(wěn)壓器為所有組件提供電源電壓，包括恒電位電路、MCU 和低功耗藍牙 （BLE） 模塊。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，恒電位電路中的升壓穩(wěn)壓器和運算放大器始終處于活動狀態(tài)，而MCU和BLE模塊處于待機模式，僅在需要時處于活動狀態(tài)以進行測量。為了節(jié)省恒電位電路的功耗，可以使用毫微功耗升壓穩(wěn)壓器，如MAX1722x系列。為了節(jié)省功耗并實現(xiàn)高精度測量，傳統(tǒng)架構(gòu)需要具有低失調(diào)、低偏置電流和低功耗漂移的低功耗運算放大器。然而，市場上的大多數(shù)運算放大器無法同時滿足所有這些要求。

為了解決電化學(xué)傳感器應(yīng)用中的節(jié)能問題，Maxim Integrated?推出了革命性的MAX40108;低功耗、高精度運算放大器，工作電壓低至0.9V，可直接與1.5V單節(jié)電池配合使用，同時保持精度。MAX40108在0.9V至3.6V電源范圍內(nèi)保持至少116dB的電源抑制比（PSRR），這意味著即使電池處于使用壽命（通常約為0.9V），傳感器及其恒電位電路仍然可以工作。MAX40108具有低至1μV的輸入失調(diào)電壓和55pA的輸入偏置電流。它保證測量來自電化學(xué)傳感器輸出的微小電流變化，并且使用低至 25μA 的電流。由于MAX40108直接由1.5V電池供電，如圖3所示，MAX17220毫微功耗升壓不再需要一直處于工作狀態(tài)。MAX17220、MCU和BLE周期性導(dǎo)通，從電化學(xué)傳感器輸出采樣數(shù)據(jù)。即使MCU處于活動狀態(tài)時消耗更多的電流，由于占空比低，平均電流仍然很低。

圖3.傳統(tǒng)建筑與新建筑的比較。

功耗比較

該參考設(shè)計用于演示MAX40108在電化學(xué)檢測系統(tǒng)中的性能。圖4為電池供電乙醇傳感器系統(tǒng)框圖，采用兩個MAX40108，MAX32655作為MCU，MAX17220作為升壓轉(zhuǎn)換器。MAX32655具有內(nèi)部BLE模塊。由SPEC制造，乙醇傳感器保持持續(xù)活動狀態(tài);WE和RE分別偏置在700mV和600mV，兩端的電壓為100mV以保持傳感器開啟。

圖4.電池供電的電化學(xué)傳感系統(tǒng)。

MAX40108直接由電池供電，MCU處于待機模式，系統(tǒng)的待機電流僅為81.9μA。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用由升壓轉(zhuǎn)換器供電的傳統(tǒng)運算放大器時功耗為150.8μA。

圖5.傳統(tǒng)運算放大器與MAX40108的待機電流比較

系統(tǒng)的平均電流消耗是通過考慮MCU在待機模式和活動模式下的占空比來測量的。例如，圖6顯示了系統(tǒng)功耗的時序圖。14mA的峰值電流由MCU偶爾處于活動狀態(tài)以處理數(shù)據(jù)而貢獻。當(dāng)時間檢測電路處于活動狀態(tài)且MCU處于待機模式時，其余時間電流保持在80μA。

圖6.電流消耗與樣本數(shù)的關(guān)系

平均電流消耗不僅與有功電流和待機電流有關(guān)，還與占空比有關(guān)。例如，在圖6中，MCU在100個樣本中有5個處于活動狀態(tài)，相當(dāng)于占空比的5%，盡管14mA的有源電流遠高于80μA的待機電流。在 5% 占空比下，平均電流落入微安范圍。與傳統(tǒng)架構(gòu)的164.4μA電流消耗相比，具有0.1%有源占空比的MCU的平均電流為95.7μA。

圖7.平均電流比較。

如您所知，如果MCU更活躍，則平均電流會增加。我們做了一個計算，發(fā)現(xiàn)達到一定的占空比后，系統(tǒng)的電流消耗由MCU主導(dǎo)，每個架構(gòu)消耗相同的功率。平均電流與MCU占空比的關(guān)系如圖8所示。X軸是占空比;Y 軸是新架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)相比的省電百分比。當(dāng)占空比因MCU有功電流增加而增加時，新架構(gòu)的節(jié)能百分比會下降。這就是占空比增加到3.04%的地方，每個架構(gòu)消耗的功率相似。在實際應(yīng)用中，占空比通常在小于1%至3%的范圍內(nèi)。系統(tǒng)工程師在選擇結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮此規(guī)范。

圖8.省電百分比與MCU占空比的關(guān)系。

結(jié)論

借助MAX40108 1.0V、低功耗、高精度運算放大器，設(shè)計人員可以使用新架構(gòu)直接從電池為恒電位電路上電，以節(jié)省系統(tǒng)待機電流。這對于偏置始終開啟的傳感器非常有用，例如本文演示的電化學(xué)傳感器。MAX40108具有低失調(diào)、高PSRR和低輸入偏置電流，保證了傳感器系統(tǒng)的精度。

審核編輯：郭婷