使用1V運算放大器徹底改變您的電化學傳感器系統

本應用筆記介紹了一種為電化學檢測電路供電的新型架構，并解釋了MAX40108低功耗、高精度運算放大器和1.0V電源電壓如何使系統受益。

介紹

電化學傳感器通常用于醫療保健的可穿戴設備，例如血糖傳感器。它還廣泛用于便攜式設備中，以檢測各種氣體，包括乙醇、氧氣、CO 和 CO2。大多數由1.5V單節電池供電的電化學傳感器應用使用恒電位電路來控制電化學傳感器電極的電位。該電路將檢測電流轉換為電壓，而模數轉換器 （ADC） 和微控制器單元 （MCU） 處理物聯網傳感器系統中的電壓信號。還包括一個藍牙模塊，用于將信息從 MCU 傳輸到手機或其他設備（圖 1）。功耗是此類應用中的關鍵指標。在初始上電期間，充電電流通過電極，傳感器需要 30 分鐘到 24 小時才能穩定下來。為了達到精度，恒電位電路和電化學傳感器需要保持隨時可用，即使設備關閉也是如此。為了節省恒電位電路的功耗，1.0V運算放大器作為革命性的解決方案上市，采用新的檢測架構，可將電池壽命延長近一倍。?

恒電位電路工作原理

電化學傳感器（見圖1）由三個電極組成：工作電極（WE）/傳感電極、對電極（CE）和參比電極（RE）。液體電解質與所有三個電極接觸。

圖1.電化學傳感器圖。

電化學傳感器通過與目標氣體反應來工作，并產生與氣體濃度成比例的電流。氣體在WE處測量，其中電子來自通過外部恒電位電路進出WE的電化學反應流。CE用作電流源或電壓電源，提供電流和驅動WE所需的任何電壓。在連續的電化學反應過程中，WE的電位本身不能保持不變。RE必須保持WE附近的電位并提供參考電位點。任何電流都不應流入或流出 RE。

電化學傳感器的輸出電流與酒精濃度成正比。為了保持線性度，使用恒電位電路來控制每個電極的電位，并將WE處的檢測電流轉換為電壓。圖2所示為簡化的恒電位電路圖。

圖2.簡化的恒電位電路圖。

使用SPEC乙醇傳感器是因為其在WE和RE兩端的推薦偏置電壓為+100mV。在圖2中，恒電位電路由兩個運算放大器U1和U2組成。U2用作電流跟隨器，將電流從WE轉換為電壓?；鶞孰妷涸丛赨2的同相輸入端提供+700mV電壓，使WE保持+700mV的電位。來自WE的電流來自CE。U1用作電流源和電壓源。U1反相輸入為RE提供高阻抗輸出，不允許電流流入或流出RE。如前所述，RE需要測量WE附近的電位并提供參考電位點。RE與CE一起構成了U1的反饋環路，而CE處的電壓足以提供從CE到WE的電流。RE的電位保持在恒定水平，并通過U1同相輸入端的電阻表示WE;在本例中為100mV。?

節能架構

如圖3所示，1.5V單節電池直接向兩個運算放大器提供電源電壓，并跳過與傳統設計不同的1.8V毫微功耗升壓器。在比較新架構與傳統架構時，傳統傳感器系統使用電池供電的升壓穩壓器為所有組件提供電源電壓，包括恒電位電路、MCU 和低功耗藍牙 （BLE） 模塊。在傳統架構中，恒電位電路中的升壓穩壓器和運算放大器始終處于活動狀態，而MCU和BLE模塊處于待機模式，僅在需要時處于活動狀態以進行測量。為了節省恒電位電路的功耗，可以使用毫微功耗升壓穩壓器，如MAX1722x系列。為了節省功耗并實現高精度測量，傳統架構需要具有低失調、低偏置電流和低功耗漂移的低功耗運算放大器。然而，市場上的大多數運算放大器無法同時滿足所有這些要求。

為了解決電化學傳感器應用中的節能問題，Maxim Integrated?推出了革命性的MAX40108;低功耗、高精度運算放大器，工作電壓低至0.9V，可直接與1.5V單節電池配合使用，同時保持精度。MAX40108在0.9V至3.6V電源范圍內保持至少116dB的電源抑制比（PSRR），這意味著即使電池處于使用壽命（通常約為0.9V），傳感器及其恒電位電路仍然可以工作。MAX40108具有低至1μV的輸入失調電壓和55pA的輸入偏置電流。它保證測量來自電化學傳感器輸出的微小電流變化，并且使用低至 25μA 的電流。由于MAX40108直接由1.5V電池供電，如圖3所示，MAX17220毫微功耗升壓不再需要一直處于工作狀態。MAX17220、MCU和BLE周期性導通，從電化學傳感器輸出采樣數據。即使MCU處于活動狀態時消耗更多的電流，由于占空比低，平均電流仍然很低。

圖3.傳統建筑與新建筑的比較。

功耗比較

該參考設計用于演示MAX40108在電化學檢測系統中的性能。圖4為電池供電乙醇傳感器系統框圖，采用兩個MAX40108，MAX32655作為MCU，MAX17220作為升壓轉換器。MAX32655具有內部BLE模塊。由SPEC制造，乙醇傳感器保持持續活動狀態;WE和RE分別偏置在700mV和600mV，兩端的電壓為100mV以保持傳感器開啟。

圖4.電池供電的電化學傳感系統。

MAX40108直接由電池供電，MCU處于待機模式，系統的待機電流僅為81.9μA。傳統結構采用由升壓轉換器供電的傳統運算放大器時功耗為150.8μA。

圖5.傳統運算放大器與MAX40108的待機電流比較

系統的平均電流消耗是通過考慮MCU在待機模式和活動模式下的占空比來測量的。例如，圖6顯示了系統功耗的時序圖。14mA的峰值電流由MCU偶爾處于活動狀態以處理數據而貢獻。當時間檢測電路處于活動狀態且MCU處于待機模式時，其余時間電流保持在80μA。

圖6.電流消耗與樣本數的關系

平均電流消耗不僅與有功電流和待機電流有關，還與占空比有關。例如，在圖6中，MCU在100個樣本中有5個處于活動狀態，相當于占空比的5%，盡管14mA的有源電流遠高于80μA的待機電流。在 5% 占空比下，平均電流落入微安范圍。與傳統架構的164.4μA電流消耗相比，具有0.1%有源占空比的MCU的平均電流為95.7μA。

圖7.平均電流比較。

如您所知，如果MCU更活躍，則平均電流會增加。我們做了一個計算，發現達到一定的占空比后，系統的電流消耗由MCU主導，每個架構消耗相同的功率。平均電流與MCU占空比的關系如圖8所示。X軸是占空比;Y 軸是新架構與傳統架構相比的省電百分比。當占空比因MCU有功電流增加而增加時，新架構的節能百分比會下降。這就是占空比增加到3.04%的地方，每個架構消耗的功率相似。在實際應用中，占空比通常在小于1%至3%的范圍內。系統工程師在選擇結構時應考慮此規范。

圖8.省電百分比與MCU占空比的關系。

結論

借助MAX40108 1.0V、低功耗、高精度運算放大器，設計人員可以使用新架構直接從電池為恒電位電路上電，以節省系統待機電流。這對于偏置始終開啟的傳感器非常有用，例如本文演示的電化學傳感器。MAX40108具有低失調、高PSRR和低輸入偏置電流，保證了傳感器系統的精度。

審核編輯：郭婷