AN-2552: 使用电化学传感器的低噪声、单电源有毒气体探测器，集成可编程增益 TIA，可用于快速原型制作
电路功能与优势
图 1 所示电路是使用电化学传感器的单电源、低噪声、便携式气体探测器。本示例中使用 Alphasense CO-AX 一氧化碳传感器。
对于检测或测量多种有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(ppm)。
图 1 中的电路采用 ADA4528-2，它是一款双通道自稳零型放大器，室温下的最大失调电压为 2.5 µV，具有出色的 5.6 µV/√Hz 电压噪声密度性能。此外，AD5270-20 采用可编程变阻器而非固定跨阻电阻，允许针对不同的气体传感器系统进行快速原型制作，无需更改物料清单。
ADR3412 精密、低噪声、微功耗基准电压源能以0.1%精度和 8 ppm/°C 漂移给传感器建立一个 1.2 V共模、虚地参考电压。
对于必须测量气体浓度 ppm 比例的应用，使用ADA4528-2和 ADR3412 使得电路性能适合与 16 位ADC 接口，例如 AD7790。
电路描述
图 2 显示电化学传感器测量电路的原理示意图。电化学传感器的工作原理是允许气体通过薄膜扩散到传感器内，并与工作电极(WE)相互作用。传感器参考电极(RE)向放大器 U2-A 提供反馈，以便通过改变反电极(CE)上的电压保持 WE 引脚的恒定电位。WE 引脚上的电流方向取决于传感器内发生的反应是氧化还是还原。一氧化碳传感器发生的是氧化；因此，电流会流入工作电极，这要求反电极相对于工作电极处于负电压（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，以便为不同类型的传感器（Alphasense 应用笔记 AAN-105-03，设计恒电位电路，Alphasense 公司）提供充足裕量。
流入WE 引脚的电流小于100 nA 每 ppm气体浓度；因此，将此电流转换为输出电压需要具有极低输入偏置电流的跨阻放大器。ADA4528-2 运算放大器在室温下具有最大输入偏置电流为 220 pA 的 CMOS输入，因此很适合这种应用。
ADR3412 为电路建立虚地参考电压，因此支持单电源供电，同时静态电流极低（最大值为 100 µA）。
放大器 U2-A 从 CE 引脚吸取足够的电流，以便在传感器的 WE 和 RE 引脚间保持 0 V 电位。RE 引脚连接到放大器 U2-A 的反相输入，因此其中无电流流动。这意味着从 WE 引脚来的电流，随气体浓度呈现线性变化。跨阻放大器 U2-B 将传感器电流转换为与气体浓度成正比的电压。
此电路选择的传感器是 Alphasense CO-AX 一氧化碳传感器。表 1 显示与此常见类型的一氧化碳传感器相关的典型规格。
警告：一氧化碳是有毒气体，一旦浓度高于 250 ppm便有危险；因此，测试本电路时应格外小心。
| 参数 | 值 |
| 灵敏度 | 55 nA/ppm至100 nA/ppm （典型值65 nA/ppm） |
| 响应时间（t90，0 ppm至 400 ppm CO） | < 30秒 |
| 范围（ppm CO，保证性能） | 0 ppm至2,000 ppm |
| 超量程限制（不保证规格） | 4,000 ppm |
跨阻放大器的输出电压为：
其中：
IWE为流入 WE 引脚的电流。
RF为跨阻反馈电阻（图 1 中显示为 AD5270-20 U3-B变阻器）。
CO-AX 传感器的最大响应是 100 nA/ppm，其最大输入范围为 2000 ppm 的一氧化碳。根据这些数值可知，最大输出电流为 200 μA，最大输出电压由跨阻电阻决定，如公式 2 所示。
将 1.2 V 电压施加到 AD7790 的 VREF可让跨阻放大 器 U2-B 的输出端具有±1.2 V 可用电压。跨阻反馈电阻选择 6.0 kΩ电阻可提供 2.4 V 的最大输出电压。
公式 3 显示使用 65 nA/ppm 的传感器典型响应时，电路输出电压与一氧化碳的 ppm 所呈现的函数关系。
数字电位器 AD5270-20 标称电阻值为 20 kΩ。由于有 1024 个电阻档位，因此电阻阶跃为 19.5 Ω。AD5270-20 的电阻温漂为 5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为 1 µA，对系统总功耗的影响极小。
电阻 R4 将噪声增益保持在合理水平。选择此电阻的值需权衡两个因素决定：噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传感器的建立时间误差。对于公式4 中的示例而言，R4 = 33 Ω，由此可计算噪声增益等于 183。
跨阻放大器的输入噪声通过噪声增益在输出端放大。对于本电路，只需关注低频噪声，因为传感器工作频率极低。ADA4528-2 的 0.1 Hz 至 10 Hz 输入电压噪声为 97 nV p-p；因此，输出端噪声为 18 μV pp，如公式 5 所示。
由于这是极低频 1/f 噪声，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。
系统无噪声分辨率由峰峰值输出噪声确定。ADA4528-2 的最大输出电压为 2.4 V，因此无噪声数为：
无噪声分辨率等于：
为了利用全部 ADC 范围(±1.2 V)，选择微功耗、轨到轨输入/输出放大器 AD8500 来驱动 AD7790。如果不需要用到整个范围，那么可以移除 AD8500，代之以 AD7790 内部缓冲器。
电化学传感器的一个重要特性是极长的时间常数。首次上电时，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 JFET Q1 将 RE 引脚与 WE 引脚短接。