低功耗有毒氣體探測器設計
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圖2. 使用電化學(xué)傳感器的便攜式氣體探測器
在三電極電化學(xué)傳感器中，目標氣體擴散到傳感器，通過(guò)一層薄膜后作用于工作電極(WE)。恒電位電路檢測參考電極(RE)的電壓，并向輔助電極(CE)提供電流，使RE端與WE端之間的電壓保持恒定。RE端沒(méi)有電流流進(jìn)或流出，因此流出CE端的電流流進(jìn)WE端，該電流與目標氣體濃度成正比。流過(guò)WE端的電流可能是正值，也可能是負值，具體取決于傳感器中發(fā)生的是還原反應還是氧化反應。對于一氧化碳，發(fā)生氧化時(shí)，CE端電流為負值（電流流入恒電位運算放大器的輸出端）。電阻R4通常非常小，因此WE端的電壓約等于VREF.
流入WE端的電流會(huì )導致U2-A的輸出端產(chǎn)生相對于WE端的負電壓。對于一氧化碳傳感器，此電壓通常為數百毫伏，但對于其它類(lèi)型的傳感器，此電壓可能高達1 V。為采用單電源供電，微功耗基準電壓源 ADR291(U1)將整個(gè)電路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗僅12 μA；它還能提供基準電壓，以使模數轉換器可對此電路的輸出進(jìn)行數字化處理。
跨導放大器的輸出電壓為：
其中：
IWE 為流入WE端的電流。
Rf 為跨導電阻（在圖2中顯示為U4）。
傳感器的最大響應為90 nA/ppm，如表2所示，其最大輸入范圍為2,000 ppm。因此，最大輸出電流為180 μA，最大輸出電壓由跨導電阻決定，如公式2所示。
針對不同氣體或來(lái)自不同制造商的傳感器具有不同的電流輸出范圍。如果U4使用可編程變阻器AD5271，而不是固定電阻，就可以針對不同的氣體傳感器采用相同的結構和材料。此外，這樣的產(chǎn)品還支持調換傳感器，因為微控制器可以針對不同的氣體傳感器，將AD5271設置為適當的電阻值。AD5271的溫度系數為5 ppm/°C，優(yōu)于大多數分立電阻；其電源電流為1 μA，對系統功耗的影響極小。
采用5 V單電源供電時(shí)，根據公式1可知，跨導放大器U2-B的輸出范圍為2.5 V。如果將AD5271設置為12.5 kΩ，就可以利用傳感器最差靈敏度情況下的范圍，并能提供大約10%的超量程能力。
使用65 nA/ppm的典型傳感器響應，可以通過(guò)下式將輸出電壓轉換為一氧化碳的ppm：
采用差分輸入ADC時(shí)，只需將2.5 V基準電壓輸出端連接到ADC的AIN-端，從而消除公式3中的2.5 V項。
電阻R4使跨導放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權衡兩個(gè)因素：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)間誤差。對于本電路，R4 = 33 Ω，由此可計算噪聲增益等于380，如公式4所示。
跨導放大器的輸入噪聲應乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p，因此輸出端的噪聲為：
該輸出噪聲相當于1.3 ppm p-p以上的氣體濃度，這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應非常慢，因此由R5和C6構成的低通濾波器可以具有0.16 Hz的截止頻率。此濾波器的時(shí)間常數為1秒，與傳感器的30秒響應時(shí)間相比可忽略不計。
Q1為P溝道JFET。電路啟動(dòng)時(shí)，柵極電壓為VCC，晶體管斷開(kāi)。系統關(guān)斷時(shí)，柵極電壓降至0 V，JFET開(kāi)啟，使RE端和WE端保持相同的電位。當電路再次啟動(dòng)時(shí)，這可以大大改善傳感器的開(kāi)啟建立時(shí)間。
該電路由兩節AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護會(huì )浪費寶貴的電能，因此本電路使用P溝道MOSFET(Q2)。該MOSFET通過(guò)阻塞反向電壓來(lái)保護電路，施加正電壓時(shí)導通。MOSFET的導通電阻小于100 mΩ，因此它引起的壓降遠小于二極管。除AAA電池以外，降壓-升壓調節器ADP2503還允許使用最高5.5 V的外部電源。在省電模式下工作時(shí)，ADP2503的功耗僅38 μA。由L2、C12和C13構成的濾波器可消除模擬電源軌產(chǎn)生的任何開(kāi)關(guān)噪聲。連接外部電源時(shí)，該儀表不是通過(guò)一個(gè)電路來(lái)斷開(kāi)電池，而是利用一個(gè)插孔以機械方式斷開(kāi)電池，從而避免電能浪費。
使用AAA電池時(shí)，正常情況（未檢測到氣體）下的總功耗約為100 μA，最差情況（檢測到2,000 ppm CO）下的總功耗約為428 μA。如果該儀表與一個(gè)微控制器相連，在不進(jìn)行測量時(shí)可進(jìn)入低功耗待機模式，則電池壽命可達1年以上。
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