【技术】电化学气体传感器的电路分析

时间： 2021-11-30 来源：先积集成

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电化学气体传感器的普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好的分辨率,一旦根据目标气体的已知浓度进行校准，其测量的重复性和精度也非常好。数十年来技术的发展，让这些传感器可以对特定气体类型提供非常好的选择性。本文先积集成将介绍电化学气体传感器的电路分析。

由于其优点众多，工业应用（例如用于保护工人安全的有毒气体检测）率先采用了电化学传感器。这些传感器的运行经济性促进了区域有毒气体监测系统的部署，确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药工业等行业员工的安全环境条件。

在美国，职业安全与健康研究所(NIOSH)和美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)已规定了许多有毒工业气体的短时间和长时间接触限值。

“长时间接触限值” (TLV-TWA)是指大多数工人可以在正常 8 小时工作日内反复接触而不会受到有害影响的时间加权平均浓度。

“短时间接触限值”(TLV-STEL)是指大多数工人可以短时间接触而不会受到刺激或伤害的浓度。

“立即威胁生命或健康的浓度” (IDLHC)是一种限制性浓度，它会对生命立即或缓慢产生威胁，导致不可逆转的健康损害，或者影响工人独立逃生的能力。表1列出了几种常见气体的限值。

图一给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器 LTC8332在恒电位配置(U2-A)和跨导配置(U2-B)下使用

图一

电化学气体传感器—恒电位电路设计：

三电极的介绍：

为了操作电化学传感器，需要控制电路，称为恒电位电路。对于三电极传感器，主要目的是维持参考电极（RE）和工作电极（WE）之间的电压，以控制电化学反应并输出与产生的电流成比例的输出信号。

传感器响应目标气体，氧化或还原气体，产生与气体浓度成比例的电流。这个电流必须通过反电极（CE）提供给传感器。

当检测到气体时，传感器电流上升，并且反电极相对于参考极化，反电极的电位并不重要，只要电路能提供足够的电压和电流来维持工作电极的正确电位即可。

测量电路设计：

1）运放U2-A提供工作电极需要的电流，输入偏置电流要求小于5nA，其中有毒气体传感器的电容特别大，小偏移容易引起大震荡，所以要有低的失调电压，小于1mV甚至小于100μV更好。

2）运放U2-B, I/V转换，把传感器电流转换为与气体浓度成正比的电压。

3）C5降低高频噪声

4）R5,C6组成低通滤波器

5）为什么采用U1产生2.5V的基准电压？比如在一氧化碳情况下发生的是氧化, 电流会流入工作电极WE，这要求反电极CE相对于工作电极WE处于负电压(通常为300 mV至400 mV)。驱动CE引脚的运算放大器相对于VREF应具有±1 V的输出电压范围, 为了采用单电源供电，这个基准电压源2.5V做偏置电压。

6）R4的作用以及取值：R4与传感器内部的电容组成RC电路，R4的选择需要在最快响应时间和更佳噪声之间的折中,当传感器电流流过R4时，传感器偏置电位Bias会有一个小的变化，这增加了传感器稳定时间。响应时间随R4的增加呈线性增加，噪声随R4的增加迅速减小，R4的取值一般小于100Ω，比如33Ω。

7）Q1和R3的作用，电化学传感器的一个重要特性是极长的时间常数。上电时，输出建立最终值可能需要几分钟。当暴露于目标气体中，浓度阶跃为量程的一半时，传感器输出达到最终值的90%所需的时间可在25秒至40秒之间。如果RE与WE引脚间的电压产生剧烈幅度变化，传感器输出电流建立最终值可能需要几分钟。这个较长的时间常数也同样适用于传感器周期供电的情况。为避免启动时间过长，当电源电压降至JFET的栅极-源极阈值电压(约2.0 V)以下时， P沟道JFETQ1将RE引脚与WE引脚短接, 只要通电，P沟道JFET为开路的状态。

结合(图一)电路和气体传感器规格的进行计算
表2 典型一氧化碳传感器规格

1）跨阻放大器U2-B的输出电压为：VO = 2.5 V + IWE × R8 其中IWE是流入WE引脚的电流，R8是跨阻反馈电阻。

CO-AX传感器的更大响应是100 nA/ppm，其更大输入范围为2000 ppm的一氧化碳。根据这些数值可知，更大输出电流为200μA，
VO = 2.5V + 2000ppm X 100nA/ppm X R8
VO = 2.5V + 200µA X 11.5KΩ=4.8V （1）

2）电阻R4选择33Ω时，噪声增益NG=1+ 11.5K/33=349 （2）

跨阻放大器的输入噪声在输出端表现为噪声增益放大，对于本电路，我们仅仅关注低频噪声，因为电化学传感器的噪声极低，LTC8332在0.1Hz至10Hz的输入电压噪声为1.1μVpp
Voutput noise= 1.1μV X NG=0.384mVpp （3）

由于这是极低频1/f噪声，相当于0.5ppm的气体浓度，所以很难滤除。然而，传感器响应也极低；因此可以使用截止频率为0.16 Hz的极低频率低通滤波器(R5和C6)。即使是这样的低频滤波器，与30秒的传感器响应时间相比，它对传感器响应时间的影响也可忽略。

3) 系统无噪声码由峰峰值输出噪声确定, 根据（1）计算出LTC8332的更大输出电压为4.8V

因此无噪声数：
总无噪声数= 4.8V/0.384mV=12500 (4)
无噪声码分辨率等于：
无噪声码分辨率= log2(12500)=13.6位 (5)

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数据手册 - SGX SENSORTECH - Issue 2 - 23-Apr-2024 PDF 英文下载

车规级模拟芯片Product Presentation

型号- LTP431A,LTR3312,LTP431B,LTP3559系列,LTC72X,LTA8094,LTA8092,LTP753QA,LTA8091,LTP33XX,LTC393,LTR3325,LTR3320,LT180B2,GP9105,LTC8333,LT180B1,LTC8332,LT180B4,LTC8331,LT180B3,LTA808X,LTA4580,LT180,LTA8181,LTC8728,LTP431,LTC8844,LTC8842,LTC8841,LTC8726,LTR3333,LTC8725,LTC600X,LT180A4,LTC8284,LTR3330,LT180A1,LTC728,LT180A3,LTA809X,LT180A2,LTC726,LTA8151,LT199,LTP3559A,LTP432A,LTR33XX,LTP432B,LT199G3,LT199G2,LTR3340,LTC8554,LTC8553,LTC8552,LT199G1,LTC8551,LTC725,LTA8084,LTA8081,LTA8082,LTR33,LTP3559

商品及供应商介绍 - 先积集成 - 2023 PDF 中文下载查看更多版本

先积集成运放LT199和LTC833x用于电流检测，可获得精准的电池容量

先积集成运放LT199和LTC833x用于电流检测，精准的电流检测，可以获得精准的电池容量，电池信息还能够通过SMBUS发送给主机，通过WIFI等方式连接到用户终端，方便用户及时了解扫地机器人的电池健康状况。

应用方案发布时间 : 2024-03-27

治精微-ADI/TI 精密电压基准源，放大器，转换器等对照表

描述- 治精微提供微功耗、低噪声、低温漂的精密电压基准源；精密运算放大器，仪表放大器，差动放大器，全差分放大器，精密放大器，提供过温保护功能，且与业界标准产品管脚兼容；精密模数转换器(ADC)，触发后无延迟、立即响应，支持通用逻辑电平；精密数模转换器(DAC)：单通道串行输入、电压输出；36V带过压保护8:1/双通道4:1多路复用器。

型号- AD7689,AD7687,ZJC2103-14,ADS8694,ZJC2103-16,INA129,ADS8698,LT1014, LT1493,ZJR1003-9,ZJR1003-5,OP497, OP400, OP4177, ADA4077-4, ADA4177-4,LTC1867,ZJR1003-4,ZJR1003-3,AD8512, ADA4610-2, AD8620, OP249,MAX1301, MAX1167,REF5050,DAC8831,AD8421,OPA277, OPA202, OPA130,REF3430,INA132, INA152, INA133,MAX541, MAX5541, MAX5216, MAX5138,MAX542, MAX5717,REF5040,LT6654A, LT1790A-4.096,AD7699, AD4697,OPA2131, OPA2132, OPA2140, OPA2145,ZJR1002-9,ZJR1002-3,ZJR1002-5,ZJR1002-4,LT64030-1,LTC2641-16, LTC1655,ZJC2102-18,AD7693, AD7688, AD7916,ZJC2544-16,REF5030,ZJC2544-14,MAX5138,REF5025,LT1493,LT1492,ADR421, ADR431, ADR441, ADR4525, REF192, AD580, AD780, ADR03, REF03,ADR3525W, ADR291E, REF192,ADR423, ADR433, ADR443, ADR4530, REF193, AD780, ADR06,REF5020,AD8221, AD8220,AD7682,ZJA3008-4,OPA4277, OPA4202, OPA4130,,REF3425, REF3225,MAX6070AUT30,MAX1302, MAX1300, MAX1168,ZJA3008-2,ZJA3008-1,ZJA3000-4,AD8616, AD8656,ZJC2017,ZJC2012,MAX1302, MAX1300,ZJA3000-2,ZJC2011,ZJA3000-1,ZJC2010,ZJA3620,DAC8830, DAC81001,ZJR1001-9,MAX6071AUT30,ZJR1001-4,ZJR1001-3,MAX308,ZJA3622,ZJR1001-5,ADR434, ADR444, ADR4540, REF198,LTC6652, LTC6655, LT6657-3,LTC2364-16,ADS8318, ADS8865,MAX309,ZJA3628,ZJA3512-2,MAX6070AUT41,ZJC2102-14,ZJC2007,ZJC2102-16,ZJC2004,ZJC2002,LT1167, LT1168, LT6370,ZJC2001,ADS8166, ADS8344, ADS8345, ADS7844, ADS7066,ZJC2000,INA129A,TLC3544,AD620A,TLC3548,AD620B,AD7686, AD7988-5, AD4008,ADS8167, ADS8332, ADS8688,ZJA3618,MUX509, TMUX6209, TMUX7209,AD5541, AD5541A, AD5541A-1, AD5683,ZJA3619,REF3450,ZJA3216-2,INA118, INA128A,MAX6070AUT50,AD8137,AD8138, ADA4940-1,ADA4945-1,LTC6362,LTC6403-1,ZJA3001-2,AD7683, AD7685, AD7694,ZJA3001-4,ZJA3001-1,ZJR1000-9,AD747, AD824, AD8643, AD8627,ADS8341, ADS8343,ZJR1000-5,ZJR1000-4,MAX6071AUT50,INA818, INA828, INA118B, INA121, INA128,ZJA3601,ZJA3600,ZJR1000-1,ZJR1000-3,LT1057, LT1113, LT1169, LT1457,INA2132, INA2133,ZJR1000-2,AD8276, AMP03,MAX4508, MAX354, MAX4708, MAX358,ADR3530W, REF193,ADC141S626,LT1461-2.5,ZJC2542-18,ADS8380,OP2206,ADS8885, ADS8382,MAX6071AUT41,OPA2197, OPA2192,ADS8331, ADS8684,LTC6652, LTC6655, LT6657-1.25,MUX508, TMUX6208, TMUX7208,AD4010,MAX11167, MAX11169,MAX6126, MAX6133_30,LTC6241,ZJA3611(G≥ 10),ADS8339, ADS8866,ZJC2100-16,ZJC2100-18,ZJC2542-16,ADG508F, ADG5208F, ADG438F, ADG528F,LM4140-4.1, REF3440,AD820, OP777,LTC2377-16,LTC2377-18,LC6654A, LT1790A,ADR420, ADR430, ADR440, ADR4520, REF191,LT1461-3,LT1461-4,LT1461-5,AD8279,AD8278,OPA4197, OPA4192,AD8277,AD5680,LTC6652, LT6655-2.048,AD7942,ADG509F, ADG5209F, ADG439F, ADG529F,ZJC2105-16,AD7946,ZJG4438,MAX6071,LT6654A, LT1790A-5,ZJC2541-18,ZJG4439,LT6654A, LT1790A-3,AD7949,ADG508A, ADG5208, ADG1208,TMUX7309F,MAX11156, MAX11158,MAX6126, MAX6133, MAX6143_50,LM4140-2.5, REF3425,LTC2376-16,LTC6652, LTC6655-4.096,AD5542, AD5542A, AD5542A-1,OP2177, OP297, OP200, ADA4077-2, ADA4177-2,OPA2277, OPA2202, OPA2130, OPA1692,THS4521,THS4551,THS4130,THS4131,DAC9881,OP07A, OP97, OP77, OP177, AD8677, OP1177, ADA4077-1, ADA4177-1,ZJG4428,MAX11166, MAX11168,ZJG4429,ZJA3018-2,TMUX7308F,MAX6070AUT25,AD7691, AD7989-1,ADR3450, ADR365B, ADR391B,LTC6652, LTC6655, LTC6657-5,MAX6126, MAX6133, MAX6143_41,ZJC2541-14,ZJC2541-16,ADS8867,LT5400-1,LT5400-2,OPA2320,LT5400-3,LT5400-4,LT5400-5,MAX11152,LT1920,ADR3550W, REF195,LT1006,ZJA3100,MAX6126, MAX6133, MAX6143_25,ADR3440, ADR364B, ADR392B,LT1002,LT5400-6,LT5400-7,LT5400-8,OP97, OPA192,MAX6126_21,LTC2326-18,AD824, OP747,DAC91001,ADR3430, ADR363B,ADS8887,MAX11262,ADA4177-2,LTC2642-14,LTC2367-18,LTC2367-16,LTC2642-16,OP777, AD8625, AD8641, AD820,ADG509A, ADG5209, ADG1209,ADS8319, ADS8864,INA821,ADR3425, ADR361B, ADR391B,REF3440, REF3240,LT1013, LT1492,LTC2372-18,ADR3540W, ADR292E, REF198,LTC2641-14,OP07-LTC, LT1001, LT1097,LTC2372-16,AD822, OP727,MAX5214,INA819,ZJC2104-18,ZJC2104-16,ZJM5400-2,MAX11163,ZJM5400-1,MAX11162,LTC6652, LTC6655, LT6657-2.5,ZJM5400-4,MAX4509, MAX355, MAX4709, MAX359,ZJM5400-3,ZJM5400-6,ZJM5400-5,ZJM5400-8,ZJM5400-7,ZJA3676,ADR425, ADR435, ADR445, ADR4550, REF195, REF02, AD586, ADR02,REF3430, REF3230,ZJA3679,ZJA3678,OP727, AD8642, AD8626, AD822,ZJA3677,AD7690, AD7989-5, AD4011

对照表 - 治精微

LTC8841, LTC8842, LTC8844 Micro-Power 1.5MHz, Low-Noise, RRIO,1.8V Precision Amplifiers

型号- LTC8844,LTC8842,LTC8841,LTC8842XF8/R8,LTC884X,LTC8841XC5/R6,LTC8844XF16/R6,LTC8841XT5/R6,LTC8844XS14/R5,LTC8842XV8/R6,LTC8842XS8/R8,LTC8844XT14/R6

数据手册 - 先积集成 - 2021/10/31 PDF 英文下载

LTC8331, LTC8332, LTC8333 Zero-Drift, 350kHz 26μA, Rail-Rail I/O Operational Amplifiers

型号- LTC833X,LTC8331XT5/R6,LTC8332XF8/R8,LTC8333XC5/R6,LTC833X SERIES,LTC8332XS8/R8,LTC8333XT5/R6,LTC8333,LTC8331XS8/R8,LTC8332,LTC8331,LTC8332XV8/R6

数据手册 - 先积集成 - 2021/10/31 PDF 英文下载

奥松电子研发的相关传感器，可应用于地下管廊进行监测

对于地下管廊缺氧以及可能会产生易燃易爆气体，奥松电子研发的相关传感器，可应用于地下管廊进行监测。

原厂动态发布时间 : 2024-04-14

LTC6001, LTC6002, LTC6004 Micro-Power 1.5MHz, Low-Noise, RRIO, 1.8V CMOS Amplifiers

型号- LTC6004XS14/R5,LTC6004,LTC6004XT14/R6,LTC6001XC5/R6,LTC600X,LTC6001XT5/R6,LTC6004XF16/R6,LTC6001,LTC6002XF8/R6,LTC6002XS8/R8,LTC6002,LTC6002XV8/R6

数据手册 - 先积集成 - 2021/10/31 PDF 英文下载