【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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先积集成（Linearin）放大器/比较器/数据转换器/模拟开关/电源管理产品选型指南（中文）

描述- 上海先积集成电路有限公司（Linearin Technology Corporation）成立于2016年初，是一家专注于传感信号调理和功率电流感测应用的高端精密模拟芯片公司，总部位于上海，在深圳、西安和无锡等地设有研发中心。公司为汽车电子、新能源、智能家居、IoT物联网、工业控制和智能工厂、医疗设备、通信系统等市场提供创新产品和更优化的解决方案。

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设计经验发布时间 : 2023-11-22

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

先积集成零漂移运算放大器选型表

先积集成零漂移运算放大器，通道数有1、2、4可供选择，输入电压范围在1.8V~5.5 V，最大失调电压范围在8μV~120μV，最大温度漂移在0.05μV/℃~0.5μV/℃，电压噪声最大为1.1 μVPP，具有带宽高，转换速率快，稳定性强等特点，广泛应用于精密电流传感、电阻式热探测器、温度传感器、位置传感器、压力传感器、医疗设备、电子秤等应用场景。

电压噪声 (0.1~10 Hz)(μVPP)