使用1V运算放大器彻底改变您的电化学传感器系统

本应用笔记介绍了一种为电化学检测电路供电的新型架构，并解释了MAX40108低功耗、高精度运算放大器和1.0V电源电压如何使系统受益。

介绍

电化学传感器通常用于医疗保健的可穿戴设备，例如血糖传感器。它还广泛用于便携式设备中，以检测各种气体，包括乙醇、氧气、CO 和 CO2。大多数由1.5V单节电池供电的电化学传感器应用使用恒电位电路来控制电化学传感器电极的电位。该电路将检测电流转换为电压，而模数转换器 （ADC） 和微控制器单元 （MCU） 处理物联网传感器系统中的电压信号。还包括一个蓝牙模块，用于将信息从 MCU 传输到手机或其他设备（图 1）。功耗是此类应用中的关键指标。在初始上电期间，充电电流通过电极，传感器需要 30 分钟到 24 小时才能稳定下来。为了达到精度，恒电位电路和电化学传感器需要保持随时可用，即使设备关闭也是如此。为了节省恒电位电路的功耗，1.0V运算放大器作为革命性的解决方案上市，采用新的检测架构，可将电池寿命延长近一倍。®

恒电位电路工作原理

电化学传感器（见图1）由三个电极组成：工作电极（WE）/传感电极、对电极（CE）和参比电极（RE）。液体电解质与所有三个电极接触。

图1.电化学传感器图。

电化学传感器通过与目标气体反应来工作，并产生与气体浓度成比例的电流。气体在WE处测量，其中电子来自通过外部恒电位电路进出WE的电化学反应流。CE用作电流源或电压电源，提供电流和驱动WE所需的任何电压。在连续的电化学反应过程中，WE的电位本身不能保持不变。RE必须保持WE附近的电位并提供参考电位点。任何电流都不应流入或流出 RE。

电化学传感器的输出电流与酒精浓度成正比。为了保持线性度，使用恒电位电路来控制每个电极的电位，并将WE处的检测电流转换为电压。图2所示为简化的恒电位电路图。

图2.简化的恒电位电路图。

使用SPEC乙醇传感器是因为其在WE和RE两端的推荐偏置电压为+100mV。在图2中，恒电位电路由两个运算放大器U1和U2组成。U2用作电流跟随器，将电流从WE转换为电压。基准电压源在U2的同相输入端提供+700mV电压，使WE保持+700mV的电位。来自WE的电流来自CE。U1用作电流源和电压源。U1反相输入为RE提供高阻抗输出，不允许电流流入或流出RE。如前所述，RE需要测量WE附近的电位并提供参考电位点。RE与CE一起构成了U1的反馈环路，而CE处的电压足以提供从CE到WE的电流。RE的电位保持在恒定水平，并通过U1同相输入端的电阻表示WE;在本例中为100mV。®

节能架构

如图3所示，1.5V单节电池直接向两个运算放大器提供电源电压，并跳过与传统设计不同的1.8V毫微功耗升压器。在比较新架构与传统架构时，传统传感器系统使用电池供电的升压稳压器为所有组件提供电源电压，包括恒电位电路、MCU 和低功耗蓝牙 （BLE） 模块。在传统架构中，恒电位电路中的升压稳压器和运算放大器始终处于活动状态，而MCU和BLE模块处于待机模式，仅在需要时处于活动状态以进行测量。为了节省恒电位电路的功耗，可以使用毫微功耗升压稳压器，如MAX1722x系列。为了节省功耗并实现高精度测量，传统架构需要具有低失调、低偏置电流和低功耗漂移的低功耗运算放大器。然而，市场上的大多数运算放大器无法同时满足所有这些要求。

为了解决电化学传感器应用中的节能问题，Maxim Integrated®推出了革命性的MAX40108;低功耗、高精度运算放大器，工作电压低至0.9V，可直接与1.5V单节电池配合使用，同时保持精度。MAX40108在0.9V至3.6V电源范围内保持至少116dB的电源抑制比（PSRR），这意味着即使电池处于使用寿命（通常约为0.9V），传感器及其恒电位电路仍然可以工作。MAX40108具有低至1μV的输入失调电压和55pA的输入偏置电流。它保证测量来自电化学传感器输出的微小电流变化，并且使用低至 25μA 的电流。由于MAX40108直接由1.5V电池供电，如图3所示，MAX17220毫微功耗升压不再需要一直处于工作状态。MAX17220、MCU和BLE周期性导通，从电化学传感器输出采样数据。即使MCU处于活动状态时消耗更多的电流，由于占空比低，平均电流仍然很低。

图3.传统建筑与新建筑的比较。

功耗比较

该参考设计用于演示MAX40108在电化学检测系统中的性能。图4为电池供电乙醇传感器系统框图，采用两个MAX40108，MAX32655作为MCU，MAX17220作为升压转换器。MAX32655具有内部BLE模块。由SPEC制造，乙醇传感器保持持续活动状态;WE和RE分别偏置在700mV和600mV，两端的电压为100mV以保持传感器开启。

图4.电池供电的电化学传感系统。

MAX40108直接由电池供电，MCU处于待机模式，系统的待机电流仅为81.9μA。传统结构采用由升压转换器供电的传统运算放大器时功耗为150.8μA。

图5.传统运算放大器与MAX40108的待机电流比较

系统的平均电流消耗是通过考虑MCU在待机模式和活动模式下的占空比来测量的。例如，图6显示了系统功耗的时序图。14mA的峰值电流由MCU偶尔处于活动状态以处理数据而贡献。当时间检测电路处于活动状态且MCU处于待机模式时，其余时间电流保持在80μA。

图6.电流消耗与样本数的关系

平均电流消耗不仅与有功电流和待机电流有关，还与占空比有关。例如，在图6中，MCU在100个样本中有5个处于活动状态，相当于占空比的5%，尽管14mA的有源电流远高于80μA的待机电流。在 5% 占空比下，平均电流落入微安范围。与传统架构的164.4μA电流消耗相比，具有0.1%有源占空比的MCU的平均电流为95.7μA。

图7.平均电流比较。

如您所知，如果MCU更活跃，则平均电流会增加。我们做了一个计算，发现达到一定的占空比后，系统的电流消耗由MCU主导，每个架构消耗相同的功率。平均电流与MCU占空比的关系如图8所示。X轴是占空比;Y 轴是新架构与传统架构相比的省电百分比。当占空比因MCU有功电流增加而增加时，新架构的节能百分比会下降。这就是占空比增加到3.04%的地方，每个架构消耗的功率相似。在实际应用中，占空比通常在小于1%至3%的范围内。系统工程师在选择结构时应考虑此规范。

图8.省电百分比与MCU占空比的关系。

结论

借助MAX40108 1.0V、低功耗、高精度运算放大器，设计人员可以使用新架构直接从电池为恒电位电路上电，以节省系统待机电流。这对于偏置始终开启的传感器非常有用，例如本文演示的电化学传感器。MAX40108具有低失调、高PSRR和低输入偏置电流，保证了传感器系统的精度。

审核编辑：郭婷