【经验】Silicon Labs低功耗运算放大器助力氧气传感器毫微功率电路设计
简介
氧气传感器（O2传感器）用于生命安全和工业等应用，也可用于低功率便携式、手持设备，或者集成到更大的系统中。生命安全应用中使用这些传感器对诸如飞机内部或实验室狭窄空间氧气水平进行检测。工业应用中使用这些传感器来测量空气中含氧量，以确保食品在真空包装中能够抑制细菌生长。虽然这种设计只针对于O2传感器，但此处的应用电路开发同样适用于其他类型的直流或低频传感器设计。
概括
直流规格和低功耗运行的正确组合对于信号频率通常低于100 Hz的低压、低电流传感器信号调节等应用挑选合适的运算放大器来说至关重要。图1显示了一个1.5 V供电的O2传感器信号调理电路，其可以检测并放大O2传感器的信号电压。
图1 运算放大O2传感器电路
图2 4OX(2)O2传感器传输曲线
电路实施过程
该电路使用City Technology 的O2传感器是一个4OX（2）O2传感器，其伴随的传输特性曲线如图2所示，该传感器能够产生与氧气浓度成比例的输出电流。该O2传感器的一些重要规格和属性如下所示：
·输出信号：空气中100μA（典型值）（21％O2-安全）
·输出信号：空气中85μA（典型值）（18％O2-不安全）
·响应时间：15s
·使用寿命：2年
·自供电和自维持
当运算放大器的非反相输入端被施加10 mV信号电压（~21％的O2浓度），会产生电路增益为101，1 V的满量程电压。该输出电压可以施加到ADC输入，以数字方式处理信号电压。如果运算放大器的增益带宽为4 kHz，如图3所示，则电路的闭环带宽约为40 Hz。
图3 运算放大器和O2传感器电路传输曲线
考虑事项及结果
使用图1所示的元件，TS1001运算放大器的规格如下：
·低电源电流：~1μA
·低输入VOS：~0.5mV
·低输入IIN±：~0.025nA
·高AVOL：〜90dB
·轨到轨输入/输出（最大化动态范围和信噪比）
电路性能为：
·总电路误差：<3％
·总电路功耗：~1μW
·1.5 V AA电池寿命：> 285年
·O2传感器更换：>更换电池前能更换142次
为了尽量减小外部增益误差，建议使用±1％容差电阻值；为降低电路带宽，可在10MΩ反馈电阻上添加外部电容。例如，如图3所示，620pF电容将电路带宽降低到25.6 Hz。
总结
结合了精密直流规格和低功耗的运算放大器，如SILICON LABS0.8V/0.6μA 的TS1001运算放大器，可为O2传感器或其他非O2/低频传感器应用产生具有低误差的超低功率信号调理电路。
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