Chemical Sensing

The circuit in Figure 1 is a complete single-supply, low noise LED current source driver controlled by a 16-bit digital-to-analog converter (DAC). The system maintains ±1 LSB integral and differential nonlinearity and has a 0.1 Hz to 10 Hz noise of less than 45 nA p-p for a full-scale output current of 20 mA.

The innovative output driver amplifier eliminates the crossover nonlinearity normally associated with most rail-to-rail input op amps that can be as high as 4 LSBs or 5 LSBs for a 16-bit system.

This industry-leading solution is ideal for pulse oximetry applications where 1/f noise superimposed on the LED brightness levels affects the overall accuracy of the measurement.

Total power dissipation for the three active devices is less than 20 mW typical when operating on a single 5 V supply.

Figure 1. ±1 LSB Linear 16-Bit LED Current Source Driver (Simplified Schematic: All Connections and Decoupling Not Shown)

Many important liquid analyses like pH rely on electrochemistry, a branch of chemistry that characterizes the behavior of reduction-oxidation (redox) reactions by measuring the transfer of electrons from one reactant to another. Electrochemical techniques can be used directly or indirectly to detect several important parameters that affect water quality, including chemical indicators, biological and bacteriological indicators and even some low level contaminants like heavy metals. Many of these indicative measurements are pertinent to determining important quality parameters of the tested analyte.

The circuit shown in Figure 1 is a modular sensing platform that allows the user to design a flexible electrochemical water quality measurement solution. Its high level of integration enables an electrochemical measurement platform applicable to a variety of water quality probes including pH, oxidation reduction potential (ORP), and conductivity cells.

The system allows up to four probes to be connected at one time for different water quality measurements.

Gas detection instruments are used in a wide range of applications ranging from home air quality measurement devices to industrial solutions for detecting toxic gases. Many of these instruments use electrochemical gas sensors. This sensor technology requires specialized front-end circuitry for biasing and measurement.

By utilizing built-in diagnostics features (such as impedance spectroscopy or bias voltage pulsing and ramping) it is possible to inspect sensor health, compensate for accuracy drift due to aging or temperature, and estimate the remaining lifetime of the sensor right at the edge of the sensor network without user intervention. This functionality allows smart, accurate sensor replacement at the individual edge nodes. An integrated, ultra low power microcontroller directly biases the electrochemical gas sensor and runs onboard diagnostic algorithms.

The circuit shown in Figure 1 shows how an electrochemical gas sensor is connected to the potentiostat circuit and how it is biased and measured. Common 2-lead, 3-lead, and 4-lead electrochemical gas sensors can be used interchangeably. The integration of this signal chain dramatically reduces cost, size, complexity, and power consumption at the sensor node.

AD4000 – это обладающий низким шумом и низким энергопотреблением, быстродействующий, прецизионный 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения (successive approximation register, SAR) с пропускной способностью 2 MSPS. Он содержит ряд функций, которые сокращают энергопотребление сигнальной цепочки, уменьшают ее сложность и позволяют увеличить плотность каналов в системе.
Высокоимпедансный режим совместно с длительной фазой захвата избавляют от необходимости в отдельном быстродействующем драйвере АЦП с высоким энергопотреблением, расширяя диапазон малопотребляющих прецизионных усилителей, которые могут использоваться для интерфейса с АЦП, поддерживая, при этом, оптимальный уровень характеристик. Функция компрессии входного диапазона позволяет АЦП и усилителю-драйверу работать от общего напряжения питания без необходимости в применении отрицательного напряжения, не уменьшая диапазон преобразования АЦП. Низкая требуемая частота последовательного периферийного интерфейса сокращает мощность, потребляемую цепями цифрового ввода/вывода, расширяет спектр совместимых процессоров и упрощает задачу передачи данных через изоляционный барьер.

AD4000 работает от напряжения питания 1.8 В и осуществляет оцифровку аналогового входного сигнала (IN+) в диапазоне от 0 В до V_REF по отношению к напряжению земли (IN−). Опорное напряжение V_REF может изменяться в диапазоне от 2.4 В до 5.1 В. АЦП потребляет всего 14 мВт при частоте дискретизации 2 MSPS и минимальной частоте сигнала SCK 75 МГц в турбо-режиме, обеспечивая максимальную интегральную нелинейность (INL) ±1.0 LSB, разрядность 16 бит без пропуска кодов и отношение сигнал-шум 93 дБ. Компонент работает с внешним опорным напряжением, которое может устанавливаться независимо от напряжения питания.

Совместимый с SPI универсальный последовательный интерфейс имеет семь различных рабочих режимов, включая возможность объединять несколько АЦП в цепочку с последовательным опросом на одной трёхпроводной шине, используя вход SDI, а также опциональный сигнал индикатора занятости. Благодаря отдельному напряжению питания VIO AD4000 поддерживает совместимость с логическими схемами, имеющими питание 1.8 В, 2.5 В, 3 В и 5 В.

AD4000 выпускается в 10-выводных корпусах MSOP и LFCSP, рабочий температурный диапазон составляет от −40°C до +125°C. Компонент совместим по выводам с 18-разрядным АЦП AD4003 с быстродействием 2 MSPS.

Области применения

• Автоматическое тестовое оборудование
• Автоматизация механизмов
• Медицинское оборудование
• Оборудование с питанием от батарей
• Прецизионные системы сбора данных

ADA4661-2 - это двухканальный, прецизионный операционный усилитель с rail-to-rail диапазоном входных и выходных напряжений (размах напряжения до напряжений питания), который оптимизирован для применения в системах с низким энергопотреблением, широкой полосой и широким диапазоном рабочих напряжений питания.

В спецификации ADA4661-2 даны гарантированные значения характеристик при напряжениях питания 3.0 В, 10 В и 18 В. Компонент является превосходным выбором для задач, в которых используется однополярное питание 3.3 В, 5 В, 10 В, 12 В и 15 В или биполярное питание ±2.5 В, ±3.3 В и ±5 В. В нем применяется патентованная компанией Analog Devices, Inc. технология подгонки параметров DigiTrim^®, обеспечивающая низкое напряжение смещения. Кроме того, уникальная архитектура ADA4661-2 позволяет добиться превосходных показателей коэффициента ослабления пульсаций, ослабления синфазного сигнала и напряжения смещения при работе с синфазными напряжениями в диапазоне от −V_SY + 1.5 В до +V_SY − 1.5 В.

ADA4661-2 работает в расширенном промышленном температурном диапазоне (от −40°C до +125°C) и выпускается в 8-выводных корпусах MSOP и LFCSP (3 мм × 3 мм).

Области применения

• Схемы измерения тока с использованием шунтов
• Активные фильтры
• Портативное медицинское оборудование
• Буферизация/преобразование уровней
• Интерфейс с высокоимпедансными датчиками
• Измерительные приборы с питанием от батарей

AD7988-1/AD7988-5 – это 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) последовательного приближения, работающие от одного источника питания VDD. Производительность AD7988-1 – 100 kSPS, AD7988-5 – 500 kSPS. Данные 16-разрядные АЦП с низким энергопотреблением имеют универсальный порт последовательного интерфейса. При поступлении фронта импульса на вход CNV происходит выборка сигнала с аналогового входа. Диапазон напряжений между выводами IN+ и IN- составляет от 0 В до V_REF. Опорное напряжение REF, формируемое внешним источником, может устанавливаться независимо от напряжения питания VDD.

Совместимый с SPI интерфейс поддерживает возможность объединения в последовательную цепь нескольких компонентов на одной трехпроводной шине. В зависимости от используемого напряжения питания последовательного интерфейса VIO обеспечивается совместимость с 1,8 В, 2,5 В, 3 В или 5 В логикой.

Микросхемы AD7988-1 и AD7988-5 выпускаются в 10-ти выводном корпусе MSOP или 10-ти выводном корпусе QFN (LFCSP). Рабочий температурный диапазон составляет от -40°C до +125°C.

Области применения

• Оборудование с батарейным питанием
• Системы сбора данных с малым энергопотреблением
• Портативные медицинские приборы
• Автоматическое испытательное оборудование
• Сбор данных
• Системы связи

AD7768 – это восьмиканальный Σ-Δ аналого-цифровой преобразователь (АЦП) одновременной выборки с Σ-Δ модулятором и цифровым фильтром в каждом канале, которые обеспечивают синхронную дискретизацию статических и динамических сигналов.

AD7768 способен поддерживать динамический диапазон 108 дБ при максимальной полосе входного сигнала 110.8 кГц и обладает типичной интегральной нелинейностью (INL) ±2 ppm, напряжением смещения ±50 мкВ и погрешностью коэффициента усиления ±30 ppm.

При работе с AD7768 пользователь может управлять соотношением входной полосы, частотой обновления выходных данных и рассеиваемой мощностью, выбирая один из трех рабочих режимов с учетом требований к уровню шума и энергопотреблению. Возможности конфигурирования позволяют превратить AD7768 в переиспользуемую платформу для малопотребляющих модулей измерения статических сигналов и высокопроизводительных модулей измерения динамических сигналов.

AD7768 имеет три рабочих режима: высокоскоростной режим (256 kSPS максимум, ширина полосы аналогового входа 110.8 кГц, 51.5 мВт на канал), медианный режим (128 kSPS максимум, ширина полосы аналогового входа 55.4 кГц, 27.5 мВт на канал) и экономичный режим (32 kSPS максимум, ширина полосы аналогового входа 13.8 кГц, 9.375 мВт на канал).

AD7768 предоставляет широкие возможности цифровой фильтрации при помощи широкополосного фильтра нижних частот для устранения спектральных наложений, который обладает неравномерностью в полосе пропускания ±0.005 дБ, быстрым спадом передаточной характеристики и ослаблением 105 дБ на частоте Найквиста.

Широкополосный фильтр с линейной фазой может использоваться для измерений в частотной области. Этот фильтр имеет плоскую вершину (неравномерность ±0.005 дБ) в полосе пропускания от нуля до 102.4 кГц при 256 kSPS, от нуля до 51.2 кГц при 128 kSPS, и от нуля до 12.8 кГц при 32 kSPS. AD7768 также содержит фильтр с характеристикой sinc (sinc5), который обеспечивает малую задержку при изменении узкополосных сигналов с низким уровнем шума. Выбор используемых фильтров может осуществляться независимо для каждого из каналов.

При работе с фильтрами пользователь может расширять динамический диапазон, устанавливая коэффициент децимация равный ×32, ×64, ×128, ×256, ×512 или ×1024. За счет управления коэффициентом децимации достигается оптимизация характеристик шума в соответствии с требуемой полосой обработки входного сигнала.

В каждом канале АЦП интегрированы аналоговые схемы, упрощающие проектирование системы, например, буфер предварительного заряда на каждом аналоговом входе, который сокращает ток во входном канале, и буфер предварительного заряда для опорного напряжения, который сокращает входной ток и уровень импульсных бросков на опорных входах.

Компонент работает с напряжениями питания AVDD1A и AVDD1B, равными 5 В, напряжениями питания AVDD2A и AVDD2B в диапазоне от 2.25 В до 5.0 В и напряжением питания IOVDD  в диапазоне от 2.5 В до 3.3 В, либо 1.8 В (конкретные требования при работе с напряжением IOVDD, равным 1.8 В, см. в разделе "IOVDD 1.8 V  Operation" технического описания).

В целях облегчения восприятия информации в техническом описании для напряжений питания AVDD1A и AVDD1B используется обозначение AVDD1, а для напряжений питания AVDD2A и AVDD2B - обозначение AVDD2. Для отрицательных напряжений питания (AVSS1A, AVSS1B, AVSS2A, AVSS2B и все другие выводы AVSS) используется обозначение AVSS.

Гарантированный рабочий температурный диапазон компонента составляет от −40°C до +105°C. AD7768 выпускается в 64-выводном корпусе LQFP с габаритами 12 мм × 12 мм. Для обозначения многофункциональных выводов, например, XTAL2/MCLK, в техническом описании используется либо их полное имя, либо только имя функции, обсуждаемой в конкретном случае (например, MCLK).

Области применения

• Системы сбора данных: USB/PXI/Ethernet
• Контуры управления в измерительных устройствах и промышленном оборудовании
• Контрольно-измерительная аппаратура для аудиосигналов
• Контроль уровня вибраций и состояния механизмов
• Анализ качества напряжения в трехфазных цепях
• Звуковая эхолокация
• Прецизионная медицинская техника (приборы ЭЭГ/ЭМГ/ЭКГ)

AD7175-2 – это обладающий низким шумом и быстрым временем установления мультиплексированный Σ-Δ аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с 2-/4-х канальным (полностью дифференциальным/несимметричным) входом для работы с узкополосными сигналами. АЦП имеет максимальную частоту сканирования каналов 50 kSPS (20 мкс) для получения полностью установившихся сигналов и частоту обновления выходных данных от 5 SPS до 250 kSPS.

В AD7175-2 интегрированы ключевые блоки аналогового и цифрового преобразования сигналов, которые пользователь может конфигурировать в индивидуальном порядке для каждого используемого аналогового входного канала. Интегрированные буферы с rail-to-rail диапазоном напряжений (размах напряжения ограничен напряжениями питания) на входах аналоговых сигналов и внешнего опорного напряжения обеспечивают высокий импеданс, упрощающий интерфейс с компонентом. Прецизионный внутренний источник опорного напряжения 2,5 В с малым дрейфом (2 ppm/°C) на запрещенной зоне и выходной буфер опорного напряжения расширяют функциональность и позволяют сократить количество необходимых внешних компонентов.

Цифровой фильтр позволяет одновременно подавлять помехи на частотах 50 Гц и 60 Гц при частоте обновления выходных данных 27,27 SPS. Пользователь может переключаться между различными вариантами фильтров в зависимости от требований к каждому отдельному каналу в приложении. АЦП осуществляет автоматическое переключение выбранных каналов. Среди других функций цифровой обработки компонент имеет средства калибровки коэффициента усиления и смещения, конфигурируемые для каждого канала по отдельности.

Компонент работает с напряжением питания AVDD1, равным 5 В, или напряжениями AVDD1/AVSS, равными ±2,5 В, а также напряжениями питания AVDD2 и IOVDD в диапазоне от 2 В до 5 В. Рабочий температурный диапазон составляет от -40°C до +105°C. AD7175-2 выпускается в 24-выводном корпусе TSSOP.

Области применения

• Управление технологическими процессами: модули ПЛК/РСУ
• Измерение температуры и давления
• Медицинские и научные многоканальные измерительные приборы
• Хроматография

AD549 – это монолитный электрометрический операционный усилитель с крайне низким входным током смещения. Для поддержания повышенной точности компонент подвергается лазерной подгонке входного напряжения смещения и дрейфа входного напряжения смещения. Крайне низкий входной ток достигается за счет технологии изготовления полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (JFET) “Topgate”, разработанной компанией Analog Devices. Эта технология позволяет изготавливать JFET транзисторы, которые обладают крайне низким входным током, и при этом совместимы со стандартной технологией изготовления биполярных транзисторов с биполярным переходом. Архитектура входного каскада обеспечивает высокий входной импеданс (10¹⁵ Ом), фактически гарантируя независимость входного тока от синфазного напряжения.

AD549 подходит для применения в задачах, в которых требуются очень низкий входной ток и малое входное напряжение смещения Он превосходно работает в качестве предварительного усилителя разнообразных датчиков с выходом тока, например, фотодиодов, фотоэлектронных умножителей или датчиков кислорода. AD549 также может быть использован в качестве прецизионного интегратора или усилителя выборки и хранения с малым уходом напряжения. Компонент совместим по выводам со стандартными электрометрическими операционными усилителями и операционными усилителями на полевых транзисторах, что позволяет разработчикам модернизировать существующие системы, затрачивая минимальные средства.

AD549 выпускается в герметичном корпусе TO-99. Металлический корпус соединен с выводом 8 и, таким образом, может независимо подключаться к точке с тем же потенциалом, что и входные выводы, за счет чего минимизируется паразитная утечка на корпус. AD549 выпускается в четырех версиях с разными градациями показателей. Версии J, K и L работают в коммерческом температурном диапазоне от 0°C до +70°C. Версия S работает в военном температурном диапазоне от −55°C до +125°C и доступна в исполнении, соответствующем стандарту MIL-STD-883B, Rev. C. Также доступны компоненты с повышенной надежностью, проходящие контроль по технологии PLUS. Эта технология контроля включает в себя испытания термоциклированием в течение 168 часов, а также другие испытания физическими и климатическими воздействиями в соответствии со стандартом MIL-STD-883B, Rev. C.

Ключевые особенности продукта

1. Заявленные в спецификации входные токи AD549 подвергаются 100-процентному тестированию. Их величина гарантируется после прогрева компонента во всем диапазоне входных синфазных напряжений.
2. Устанавливаемые при помощи лазерной подгонки входное напряжение смещения и дрейф напряжения смещения AD549 не превышают 0.25 мВ/5 мкВ/°C (AD549K), и 1 мВ/20 мкВ/°C (AD549J).
3. Максимальный потребляемый в рабочем состоянии ток питания равен 700 мкА, благодаря чему минимизируется влияние эффектов нагрева на входной ток и напряжение смещения.
4. Компонент обладает шириной полосы при единичном усилении, равной 1 МГц, и скоростью нарастания 3 В/мкс. Время установления в пределах погрешности 0.01% составляет 5 мкс при ступенчатом изменении входного напряжения на 10 В.

Области применения

• Электрометрические усилители
• Предварительные усилители сигналов фотодиодов
• Буферы электродов для измерения pH

The ADA2200 is a synchronous demodulator and configurable analog filter designed to perform precision magnitude and phase measurements in low power, sensor signal conditioning and data acquisition applications for the industrial, medical, and communications markets. Implemented with ADI’s patent pending sampled analog technology (SAT), the ADA2200 is an analog input, sampled analog output device that includes an analog domain, low-pass 1/8x decimation finite impulse response (FIR) filter, a configurable infinite impulse response (IIR) filter, mixer with 0°/90° phase selection, reference clock and ADC driver output. Utilizing sampled analog technology, the signal processing is performed entirely in the analog domain by charge sharing among capacitors, which eliminates the effects of quantization noise and rounding errors and reduces downstream ADC sample rates while also offloading computationally heavy tasks from the digital processor or micro-controller.

The ADA2200 acts as a precision filter when the demodulation function is disabled. The filter has a programmable bandwidth and tunable center frequency. The filter characteristics are highly stable over temperature, supply, and process variation.

Single-ended and differential signal interfaces are possible on both input and output terminals, simplifying the connection to other components of the signal chain. The low power consumption and rail-to-rail operation is ideal for battery-powered and low voltage systems.

The ADA2200 can be programmed over its SPI-compatible serial port or can automatically boot from the EEPROM through its I2C interface. On-chip clock generation produces a mixing signal with a programmable frequency and phase. In addition, the ADA2200 synchronization output signal eases interfacing to other sampled systems, such as data converters and multiplexers.

The ADA2200 is available in a 16-lead TSSOP package. Its performance is specified over the industrial temperature range of −40°C to +85°C. Note that throughout this data sheet, multifunction pins, such as SCLK/SCL, are referred to either by the entire pin name or by a single function of the pin, for example, SCLK, when only that function is relevant.

Applications

• Synchronous demodulation
• Sensor signal conditioning
• Lock-in amplifiers
• Phase detectors
• Precision tunable Filters
• Signal recovery
• Control systems

The ADuCM355 is an on-chip system that controls and measures electrochemical sensors and biosensors. The ADuCM355 is an ultralow power, mixed-signal microcontroller based on the Arm^® Cortex^™-M3 processor. The device features current, voltage, and impedance measurement capability.

The ADuCM355 features a 16-bit, 400 kSPS, multichannel successive approximation register (SAR) analog-to-digital converter (ADC) with input buffers, built-in antialias filter (AAF), and programmable gain amplifier (PGA). The current inputs include three transimpedance amplifiers (TIA) with programmable gain and load resistors for measuring different sensor types. The analog front end (AFE) also contains two low power amplifiers designed specifically for potentiostat capability to maintain a constant bias voltage to an external electrochemical sensor. The noninverting inputs of these two amplifiers are controlled by on-chip, dual output digital-to-analog converters (DACs). The analog outputs include a high speed DAC and output amplifier designed to generate an ac signal.

The ADC operates at conversion rates up to 400 kSPS with an input range of −0.9 V to +0.9 V. An input mux before the ADC allows the user to select an input channel for measurement. These input channels include three external current inputs, multiple external voltage inputs, and internal channels. The internal channels allow diagnostic measurements of the internal supply voltages, die temperature, and reference voltages.

Two of the three voltage DACs are dual output, 12-bit string DACs. One output per DAC controls the noninverting input of a potentiostat amplifier, and the other controls the noninverting input of the TIA.

The third DAC (sometimes referred to as the high speed DAC) is designed for the high power TIA for impedance measurements. The output frequency range of this DAC is up to 200 kHz.

A precision 1.82 V and 2.5 V on-chip reference source is available. The internal ADC and voltage DAC circuits use this on-chip reference source to ensure low drift performance for all peripherals.

The ADuCM355 integrates a 26 MHz Arm Cortex-M3 processor, which is a 32-bit reduced instruction set computer (RISC) machine. The Arm Cortex-M3 processor also has a flexible multichannel direct memory access controller (DMA) supporting two independent serial peripheral interface (SPI) ports, universal asynchronous receiver/transmitter (UART), and I²C communication peripherals. The ADuCM355 has 128 kB of nonvolatile flash/EE memory and 64 kB of single random access memory (SRAM) integrated on-chip.

The digital processor subsystem is clocked from a 26 MHz on-chip oscillator. The oscillator is the source of the main digital die system clock. Optionally, a 26 MHz phase-locked loop (PLL) can be used as the digital system clock. This clock can be internally subdivided so that the processor operates at a lower frequency and saves power. A low power, internal 32 kHz oscillator is available and can clock the timers. The ADuCM355 includes three general-purpose timers, a wake-up timer (which can be used as a general-purpose timer), and a system watchdog timer.

The analog subsystem has a separate 16 MHz oscillator used to clock the ADC, DACs, and other digital logic on the analog die. The analog die also contains a separate 32 kHz, low power oscillator to clock a watchdog timer on the analog die. Both the 32 kHz oscillator and this watchdog are independent from the digital die oscillators and system watchdog timer.

A range of communication peripherals can be configured as required in a specific application. These peripherals include UART, I²C, two SPI ports, and general-purpose input/output (GPIO) ports. The GPIOs, combined with the general-purpose timers, can be combined to generate a pulse-width modulation (PWM) type output.

Nonintrusive emulation and program download are supported via the serial wire debug port (SW-DP) interface.

The ADuCM355 operates from a 2.8 V to 3.6 V supply and is specified over a temperature range of −40°C to +85°C. The chip is packaged in a 72-lead, 6 mm × 5 mm land grid array (LGA) package.

Note that, throughout this data sheet, multifunction pins, such as P0.0/SPI0_CLK, are referred to either by the entire pin name or by a single function of the pin, for example, P0.0, when only that function is relevant. 

Applications

• Gas detection
• Food quality
• Environmental sensing (air, water, and soil)
• Blood glucose meters
• Life sciences and biosensing analysis
• Bioimpedance measurements
• General amperometry, voltammetry, and impedance spectroscopy functions