LTC833x应用笔记 ▏电化学气体传感器的电路分析

应用笔记

LTC833x

电化学气体传感器电路分析

电化学气体传感器的普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好的分辨率,一旦根据目标气体的已知浓度进行校准，其测量的重复性和精度也非常好。数十年来技术的发展，让这些传感器可以对特定气体类型提供非常好的选择性。

 

由于其优点众多，工业应用（例如用于保护工人安全的有毒气体检测）率先采用了电化学传感器。这些传感器的运行经济性促进了区域有毒气体监测系统的部署，确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药工业等行业员工的安全环境条件。

 

在美国， 国家职业安全与健康研究所(NIOSH)和美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)已规定了许多有毒工业气体的短时间和长时间接触限值。

“长时间接触限值” (TLV-TWA)是指大多数工人可以在正常 8 小时工作日内反复接触而不会受到有害影响的时间加权平均浓度。

 

“短时间接触限值”(TLV-STEL)是指大多数工人可以短时间接触而不会受到刺激或伤害的浓度。

 

“立即威胁生命或健康的浓度” (IDLHC)是一种限制性浓度，它会对生命立即或缓慢产生威胁，导致不可逆转的健康损害，或者影响工人独立逃生的能力。表 1 列出了几种常见气体的限值。

图一给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器LTC833x在恒电位配置(U2-A)和跨导配置(U2-B)下使用

图一

电化学气体传感器—恒电位电路设计

LINEARIN #LTC8332

 

01

 

三电极的介绍

为了操作电化学传感器，需要控制电路，称为恒电位电路。对于三电极传感器，主要目的是维持参考电极（RE）和工作电极（WE）之间的电压，以控制电化学反应并输出与产生的电流成比例的输出信号

 

传感器响应目标气体，氧化或还原气体，产生与气体浓度成比例的电流。这个电流必须通过反电极（CE）提供给传感器。

 

当检测到气体时，传感器电流上升，并且反电极相对于参考极化，反电极的电位并不重要，只要电路能提供足够的电压和电流来维持工作电极的正确电位即可。

02

 

测量电路设计

运放U2-A提供工作电极需要的电流，输入偏置电流要求小于5nA，其中有毒气体传感器的电容特别大，小偏移容易引起大震荡，所以要有低的失调电压，小于1mV甚至小于100μV最好。

 

运放U2-B, I/V转换，把传感器电流转换为与气体浓度成正比的电压

 

C5降低高频噪声

 

R5,C6组成低通滤波器

 

为什么采用U1产生2.5V的基准电压？比如 在一氧化碳情况下发生的是氧化；因此，电流会流入工作电极WE，这要求反电极CE相对于工作电极WE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, 为了采用单电源供电，这个基准电压源2.5V做偏置电压

 

R4的作用以及取值：R4与传感器内部的电容组成RC电路，R4的选择需要在最快响应时间和最佳噪声之间的折中,当传感器电流流过R4时，传感器偏置电位Bias会有一个小的变化，这增加了传感器稳定时间。响应时间随R4的增加呈线性增加，噪声随R4的增加迅速减小，R4的取值一般小于100Ω，比如33Ω

 

Q1和R3的作用，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JFETQ1将RE引脚与WE引脚短接, 只要通电，P沟道JFET为开路的状态。

 

结合图一电路和气体传感器规格进行计算

LINEARIN #LTC833x

 

典型一氧化碳传感器规格

跨阻放大器U2-B的输出电压为：

VO = 2.5 V + IWE × R8  其中IWE是流入WE引脚的电流，R8是跨阻反馈电阻

 

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，

VO = 2.5V + 2000ppm X 100nA/ppm X R8

VO = 2.5V + 200µA X 11.5KΩ=4.8V  （1）

电阻R4选择33Ω时，

噪声增益NG=1+ 11.5K/33=349  （2）

 

跨阻放大器的输入噪声在输出端表现为噪声增益放大，对于本电路，我们仅仅关注低频噪声，因为电化学传感器的噪声极低，LTC8332在0.1Hz至10Hz的输入电压噪声为1.1μVpp

Voutput noise= 1.1μV X NG=0.384mVpp （3）

 

由于这是极低频1/f噪声，相当于0.5ppm的气体浓度，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

 

 系统无噪声码由峰峰值输出噪声确定。 LTC8332的最大输出电压为4.8 V，因此无噪声数：

总无噪声数= 4.8V/0.384mV=12500    (4)

 

无噪声码分辨率等于：

无噪声码分辨率= log2(12500)=13.6位  (5)

LTC833x

产品信息

 

LTC833x系列是350KHz,  26uA, 最大失调电压15uV, 1.1uVpp的低频噪声零漂运放，采用专利快速步进响应斩波稳态技术，实现极低的失调电压和近乎为零的温度及时间漂移。

 

LTC833x凭借其零漂移架构带来的极低失调、低漂移、低偏置电流以及微功耗特性，非常适合构建高性能电化学气体传感器信号调理电路。它能够显著降低系统校准成本，提高长期稳定性，并延长便携式仪器的电池续航时间。对于需要双通道的应用（如带偏置的传感器或同时检测温度），LTC8332（双通道）可以在保持精简BOM的同时提供对称的高精度性能。四通道版本LTC8334更适用于多传感器阵列的气体检测模块。

 

01

 

主要规格

高直流精度：最大失调电压±35 μV，最大漂移±50 nV/°C

低噪声：0.1~10 Hz峰峰值噪声1.1 μV；电压噪声密度57 nV/√Hz @1 kHz

增益带宽积：350 kHz，压摆率0.22 V/μs

低功耗：每通道静态电流仅26 μA（典型值）

供电范围：1.8 V至5.5 V单电源，或±0.9 V至±2.75 V双电源

输入输出特性：轨到轨输入/输出，输入共模电压可低于负轨100 mV

稳健性：集成RF/EMI滤波器，过驱动无相位反转，ESD保护达4 kV HBM

封装：SOIC-8L、MSOP-8L、DFN2×2-8L，工作温度-40°C~+125°C

 

02

 

在电化学气体传感器领域的核心优势：

极低输入偏置电流（典型70 pA）：最大限度减小传感器负载，保证低浓度测量的准确性。

零漂移架构：消除1/f噪声，长期和温度漂移极低，系统无需频繁调零或温度补偿。

超低失调电压（典型3 μV）：支持直接采用高阻值反馈电阻（几兆欧），获得高灵敏度同时不引入明显零点误差。

低功耗（26 μA）：使便携式气体检测仪待机时间延长50%以上。

单电源轨到轨：简化电池供电设计，输出摆幅接近电源轨，提高ADC动态范围利用率。

集成EMI滤波器：在工业现场或无线通信环境中保持测量稳定。

 

LTC833x /Linearin

LTC833x是电化学气体传感器信号调理的优选方案，尤其适用于一氧化碳、氧气、硫化氢等低成本、长寿命的便携式及工业安全检测设备。如需更详细的电气参数和应用支持，请访问先积集成官网或联系销售。