电路笔记 CN-0357 连接/参考器件 Circuits from the Lab® reference designs are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0357. ADA4528-2 5.0 V超低噪声、零漂移、 RRIO双通道运算放大器 AD5270-20 1024位、1%电阻容差误差、 50-TP存储器数字变阻器 ADR3412 微功耗、0.1%精度、1.2 V 基准电压源 AD8500 微功耗RRIO运算放大器 AD7790 低功耗、16位Σ-Δ型ADC 使用电化学传感器的低噪声、单电源有毒气体探测器， 集成可编程增益TIA，可用于快速原型制作 评估和设计支持 图1中的电路采用ADA4528-2，它是一款双通道自稳零型放 电路评估板 大器，室温下的最大失调电压为2.5 µV，具有业界领先的 CN-0357电路评估板(EVAL-CN0357-PMDZ) 5.6 µV/√Hz电压噪声密度性能。此外，采用AD5270-20可编 SDP到Pmod转接板(PMD-SDP-IB1Z) 程变阻器而非固定跨阻电阻，允许针对不同的气体传感器 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 系统进行快速原型制作，无需更改物料清单。 设计和集成文件 ADR3412精密、低噪声、微功耗基准电压源能以0.1%精度 原理图、布局文件、物料清单 和8 ppm/°C漂移建立1.2 V共模、伪地基准电压。 电路功能与优势 对于必须测量气体浓度ppm比例的应用，使用ADA4528-2和 图1所示电路是使用电化学传感器的单电源、低噪声、便 ADR3412使得电路性能适合与16位ADC接口，例如AD7790。 携式气体探测器。本示例中使用Alphasense CO-AX一氧化碳 传感器。 对于检测或测量多种有毒气体浓度的仪器，电化学传感器 能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设 计，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(1 ppm)。 3.3V VREF U4 ADR3412 VIN VOUT C10 0.1µF GND R4 1.2V 12.4kΩ C8 0.1µF AVCC ADA4528-2 C3 0.02µF R3 12.4kΩ U1 U2-A CO-AX CE WE RE C4 0.02µF Q1 MMBFJ270 D S R6 12.4kΩ C9 10µF C2 0.02µF G R1 1MΩ R10 3.3kΩ W A U3-B AGND VDD REF(+) U5 1.2V AD8500 R8 100kΩ R2 33Ω 3.3V R5 12.4kΩ U2-B ADA4528-2 R12 150Ω AIN1(–) DOUT/RDY AIN1(+) DIN U8 R9 3.3kΩ C14 5.6nF AD7790 GND TO PROCESSOR SCLK CS REF(–) AGND AD5270-20 12332-001 AVCC 图1. 低噪声气体探测器电路(原理示意图： 未显示所有连接和去耦) Rev. 0 Circuits from the Lab® reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due toanycausewhatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com ©2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Fax: 781.461.3113 CN-0357 电路描述 表1. 典型一氧化碳传感器规格 图2显示电化学传感器测量电路的原理示意图。电化学传 参数 灵敏度 感器的工作原理是允许气体通过薄膜扩散到传感器内，并 与工作电极(WE)相互作用。传感器参考电极(RE)向放大器 U2-A提供反馈，以便通过改变反电极(CE)上的电压保持 WE引脚的恒定电位。WE引脚上的电流方向取决于传感器 响应时间(t90，0 ppm至400 ppm CO) 范围(ppm CO，保证性能) 内发生的反应是氧化还是还原。对于一氧化碳传感器而 言，发生的是氧化；因此，电流会流入工作电极，这要求反 超量程限制(不保证规格) 电极相对于工作电极处于负电压(通常为300 mV至400 mV)。 跨阻放大器的输出电压为： 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 VO = 1.2 V + IWE × RF 范 围 ， 以 便 为 不 同 类 型 的 传 感 器 (Alphasense应 用 笔 记 AAN-105-03，设计恒电位电路，Alphasense公司)提供充足 裕量。 CE 其中IWE是流入WE引脚的电流，RF是跨阻反馈电阻(图1中 显示为AD5270-20 U3-B变阻器)。 为2000 ppm的一氧化碳。根据这些数值可知，最大输出电 RF 流为200 μA，最大输出电压由跨阻电阻决定，如公式2所示。 VO = 1.2 V + 2000 ppm × 100 WE IWE IWE VOUT 12332-002 – VREF VREF (1) CO-AX传感器的最大响应是100 nA/ppm，其最大输入范围 IWE + RE 数值 55 nA/ppm至 100 nA/ppm (典型值为 65 nA/ppm) <30秒 0 ppm至 2,000 ppm 4,000 ppm SENSOR nA × RF ppm VO = 1.2 V + 200 µA × RF (2) 图2. 简化电化学传感器电路 将1.2 V电压施加到AD7790的VREF可让跨阻放大器U2-B的输 流入WE引脚的电流对于每ppm气体浓度低于100 nA；因此 出端具有±1.2 V可用电压。为跨阻反馈电阻选择6.0 kΩ电阻 将此电流转换为输出电压需要具有极低输入偏置电流的跨 可提供2.4 V的最大输出电压。 阻放大器。ADA4528-2运算放大器在室温下具有最大输入 公式3显示使用65 nA/ppm的传感器典型响应时，与一氧化碳 偏置电流为220 pA的CMOS输入，因此很适合这种应用。 的ppm呈函数关系的电路输出电压。 ADR3412为电路建立伪地基准电压，因此支持单电源供电 同时消耗极低的静态电流(最大值为100 µA)。 VO = 1.2 V + 390 ppm (3) AD5270-20标称电阻值为20 kΩ。由于有1024个电阻位置，因 放大器U2-A从CE引脚吸取足够的电流，以便在传感器的 此电阻阶跃为19.5 Ω。AD5270-20的电阻温度系数为5 ppm/°C， WE和RE引脚间保持0 V电位。RE引脚连接到放大器U2-A的 优于大多数分立电阻；其电源电流为1 µA，对系统总功耗的 反相输入；因此其中无电流流动。这意味着从WE引脚来 影响极小。 的电流，随气体浓度呈现线性变化。跨阻放大器U2-B将传 感器电流转换为与气体浓度成正比的电压。 电阻R4将噪声增益保持在合理水平。选择此电阻的值需权衡 两个因素决定：噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传 此电路选择的传感器是Alphasense CO-AX一氧化碳传感器。 感器的建立时间误差。对于公式4中的示例而言，R4 = 33 Ω， 表1显示与此常见类型的一氧化碳传感器相关的典型规格。 由此可计算噪声增益等于183。 警告： 一氧化碳是有毒气体，一旦浓度高于250 ppm便有危 险；测试本电路时应格外小心。 Rev. 0 | Page 2 of 5 NG = 1 + 6.0 kΩ 33 Ω = 183 (4) CN-0357 ADA4528-2的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为97 μV p-p；因此， 电路评估与测试 输出端噪声为18 µV p-p，如公式5所示。跨阻放大器的输入 图 1中 的 电 路 采 用 EVAL-CN0357-PMDZ电 路 评 估 板 、 噪声在输出端表现为由噪声增益放大。对于本电路，只需 PMD-SDP-IB1Z转接板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台 关注低频噪声，因为传感器工作频率极低。 (SDP-B)控制器板。此外，EVAL-CN0357-PMDZ采用Pmod VOUTPUTNOISE = 97 nV × NG = 18 µVp-p (5) 由于这是极低频1/f噪声，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。ADA4528-2的最大 输出电压为2.4 V，因此无噪声数为： 总无噪声数 = 2.4 V 18 µV p − p = 64,865 (6) 型制作。 CN-0357评估软件与SDP板通信，以便从EVAL-CN0357-PMDZ 电路评估板捕捉数据。 设备要求 评估CN-0357电路需要下列设备： • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista(32位)或 Windows 7(32位)PC • EVAL-CN0357-PMDZ评估板 无噪声码分辨率等于： 无噪声码分辨率 = log2(64,865) = 15.9位 尺寸，因此能连接任意Pmod控制器板，从而实现快速原 (7) • PMD-SDP-IB1Z转接板 • EVAL-SDP-CB1Z控制器板 为了利用全部ADC范围(±1.2 V)，选择AD8500微功耗、轨到 • CN-0357评估软件 轨输入/输出放大器来驱动AD7790的输入。如果不需要用 • 校准气体(低于250 ppm) 到整个范围，那么可以移除AD8500，代之以AD7790内部 • EVAL-CFTL-6V-PWRZ或同等6 VDC电源 缓冲器。 开始使用 电化学传感器的一个重要特性是极长的时间常数。首次上 将CN-0357评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估 电时，输出建立最终值可能需要几分钟。当暴露于目标气 软件。打开“My Computer(我的电脑)”，找到包含评估软件 体中，浓度阶跃为量程的一半时，传感器输出达到最终值 光盘的驱动器，运行setup.exe文件，按照屏幕说明安装和 的90%所需的时间可在25秒至40秒之间。如果RE与WE引 使用评估软件。 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JFET 功能框图 图3显示测试设置的功能框图。CN-0357设计支持包内含有 完整的评估板原理图，包括gerber文件以及物料清单。 Q1将RE引脚与WE引脚短接。 PC USB 常见变化 电化学传感器工作电流极小，非常适合便携式电池供电的 仪器。如要求更低功耗，则ADA4505-2放大器的最大输入 USB 偏置电流为2 pA，每放大器功耗仅10 µA。但是，ADA4505-2 +6V POWER CO-AX SENSOR PMD-SDP-IB1Z EVAL-CN0357-PMDZ 图3. 测试设置功能框图 Rev. 0 | Page 3 of 5 CON A OR CON B 12332-003 更多信息，请参考电路笔记CN-0234。 12-PIN J1 替ADR3412。 120-PIN SDP ADR291精密基准电压源功耗仅12 µA，要求更低功耗时可代 EVAL-SDP-CB1Z 120-PIN SDP 的噪声大于ADA4528-2。 CN-0357 设置 图4显示从175 ppm CO环境迅速移除传感器后的电路响应， 将电化学传感器连接到EVAL-CN0357-PMDZ电路评估板上 它可以更好地衡量电路性能。 的插口。 EVAL-CN0357-PMDZ板照片如图5所示。 将EVAL-CN0357-PMDZ与转接板相连，并确保转接板上的 跳线配置为+3.3 V。然后，将SDP-B板连接到转接板，并通 过直流管式插孔为转接板上电。 将SDP-B板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口和SDP-B板。 如果“Device Manager(设备管理器)”中出现“Analog Devices System Development Platform(ADI系统开发平台)”驱动器， 软件便能与SDP板通信。一旦USB通信建立，就可以使用 SDP板来发送、接收、采集来自EVAL-CN0357-PMDZ电路 评估板的串行数据。 测试 12332-004 浏览至CN-0357评估软件的安装目录，然后打开CN0357.exe 文件。(文件应当位于操作系统开始菜单中名为Analog Devices 图4. 对175 ppm至0 ppm一氧化碳阶跃的响应 的文件夹中) 应用程序启动后，软件将自动连接SDP-B板。如果连接了 多个SDP-B控制器板，则所选电路板上的发光二级管(LED) 12332-005 将闪烁。 CN-0357评估软件用户指南包含有关如何使用评估软件采 集数据的详细信息。 图5. EVAL-CN0357-PMDZ评估板 该电路板的输入信号是气体浓度；因此需要校准气体源。使 用一氧化碳进行测试时，最大短时间接触限值为250 ppm。 该软件设计用于任意电化学传感器，因此输入所选传感器 的正确规格很重要。 计算并设置AD5270-20数字变阻器的电阻时，需要用到最 大传感器灵敏度和传感器范围。该值是一个带符号值。正 值表示传感器吸取电流，负值表示传感器提供电流。 典型传感器灵敏度用来计算系统转换系数，单位为ppm/mV。 点击“Run(运行)”按钮即可开始收集浓度数据，间隔为1秒。 Rev. 0 | Page 4 of 5 CN-0357 了解详情 数据手册和评估板 CN-0357 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0357-DesignSupport CN-0357 Circuit Evaluation Board (EVAL-CN0357-PMDZ) System Demonstration Platform (EVAL-SDP-CB1Z) AN-1114, Lowest Noise Zero-Drift Amplifier Has 5.6 nV/√Hz Voltage Noise Density, Analog Devices. ADA4528-2 Data Sheet MS-2066 Article, Low Noise Signal Conditioning for SensorBased Circuits, Analog Devices. ADR3412 Data Sheet AD5270-20 Data Sheet AD8500 Data Sheet MT-035 Tutorial, Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues, Analog Devices. AD7790 Data Sheet CN-0234 Circuit Note, Single Supply, Micropower Toxic Gas Detector Using an Electrochemical Sensor, Analog Devices. Alphasense Application Note AAN-105-03, Designing a Potentiostatic Circuit, Alphasense Limited. 修订历史 2014年7月—修订版0： 初始版 (Continued from first page) Circuits from the Lab reference designs are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab reference designs in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab reference designs. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. 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