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Alphasense应用笔记AAN105-03 设计恒电位电路介绍：在三电极传感器中，每个电极都有特殊的用途：l 工作电极：对目标气体做出反应，氧化或还原目标气体，产生与气体浓度成比例的电流。该电流必须通过反向电极提供给传感器。l 参考电极：恒电位电路使用该电极保持工作电极处于固定的电位。对于无偏差电压传感器，工作电极电位必须保持与参考电极电位相同，而对于需要偏差电压的传感器就要有一个偏移量。l 反向电极：反向电极与工作电极构成电路。如果工作电极正处于氧化反应，反向电极就还原某种化学物质（通常为氧气），如果工作电极正在还原目标气体，反向电极就起氧化反应。反向电极的电位允许浮动，有时随气体浓度增加而变化。反向电极的电位不重要，只要恒电位电路能提供充足的电压和电流，保持工作电极的电位与参与电极的电位相同即可。图1是偏差电压为0的恒电位电路的电路图。在下面的讨论中请参考本图。1MR3 10KR2 10kC2 1nfC1 10nfC3 10nfR4 22KR510kRload10 to 100R输出信号R1 10K工作电极反向电极-+ IC2参考电极-+ IC1图1为零偏差电压有毒气体传感器的首选电路。ICS需要+，-双向电源，而不是单向的。典型的恒电位电路由三个部分组成：1. 带偏差电压的控制电路（如需要）2. 电流测量电路3. 当电源关断时，短路FET使工作电极与参考电极相连控制电路控制工作放大器（图1中的IC2）向反向电极提供电流，来平衡工作电极所需电流。IC2的反向输入连到参考电极，一定不要从参考电极汲取任何大电流。我们建议使用输入偏差电流小于5nA的工作放大器。当电路接通电源时，损耗方式JFET（图1中的Q1）转到高阻抗状态。IC2提供电流，保持工作电极的电流与参考电极的电位相同。IC2输入偏差电压的任何偏移量将会引起通电时电位的突变。因为，有毒气体传感器电容大，大电流可通过而只引起小的电位变化，这样确保工作放大器的电压偏移量小，确保小于1mV，最好小于100V；同时要检查在最高使用温度时的工作放大器偏移电压。一般，对于可氧化气体（例如CO），（参考电极为铂时）反向电极相对于地电位为-300到-400mv。然后，如果被还原的是氢离子，而不是氧分子，那么该电位就大到-1.05v。同时，还原气体（例如NO2或CL2）迫使反向电极氧化水，进化氧气；在这种情况下，相对于参考电极的电位在+600和+800mv之间，这取决于参考电极的类型。因此必须让IC2有足够的摆动电压，驱动平衡电路达到所需电压和传感器所需的充足电流。如果该电路做不到这一点，那么在气体浓度较高时就会产生严重非线性。最好允许IC2有+/-1.1V的摆动。（加上任何施加的偏差电压）。这意味着对于CO或H2S传感器，反向电极一般需要在低于接地点的-350mv。所以IC2需要负的输入。如果你正在使用单端低压电源，要特别注意工作放大器在所需电流时的可用输出摆动。表1为各个类型传感器输出最大稳定状态的电流。在满量程没有一个传感器输出210A 的电流，但是对于一般目的的电路允许至少500A的电流，尽管对于特殊的良好测试的传感器/电路组合体，该参数可能会被降低。注意：当有电活性气体，接通电路电源时，或当传感器首次接通时，传感器可能会输出几个mA的浪涌电流。引起IC1夹紧，这取决于IC1的电流驱动能力；在如此大的电流瞬变期间，在具有大的反馈电阻反向输入时，IC1要维持虚地是不可能的。控制电路中，电路的稳定性和噪音减少取决于R1，R2，C1和C2，对于某种工作放大器C2可能是不必要的。如果去掉C2，那么C1可能增加到50和100nf。建议工作放大器为OP90（单工作放大器）和OP296（双工作放大器）偏差电压：通常，Alphasense有毒气体传感器工作在零偏差电压方式下，然而，某些传感器，例如NO传感器，需要偏差电压；一般为+/-150或300mv，同时，对某种气体的交叉灵敏度由于加了偏差电压而增加。注意：如果加的偏差电压不正确，性能会被降低，记住将偏差电压加到不该加偏差电压的传感器上会引起传感器损坏。当然，传感器的保修期也就不存在了。对更进一步的建议请向Alphasense咨询。如果你希望加一个偏差电压，要确保偏差电压是稳定的。即使是几个 mv的变化都会影响灵敏度。偏差电压仅几个mv的突变，传感器的输出上瞬变响应就会达几个小时。给传感器加偏压的简单方法如图2所示，可去掉接地的10K电阻，以减小Vbias上的电流。C1参考电极-+IC210KR310KR2R1Vbias工作电极图2，加偏差电压到工作放大器当仪器关断时，应保持偏压的存在，通常用一直开启的纽扣电池实现。在这种情况下，IC2的输入偏移量不是很关键，但要保持随温度变化的漂移很小。电流测量电路测量电路是在互导倒数配置中的一个单级放大器（IC1），传感器电流反应在流过R4的电流，产生相对于虚地的输出电压，C3减小高频噪音，有时使用两级放大器来输出所需电流，第一级使用低阻值的R4，使电路在瞬变情况下产生电流，然后第二个电压增益级输出所需电流。IC1输入电压的偏移量将加到传感器偏差电压上（因为工作极将偏移0V电压），所以输入偏移量保持低量。记住产生的电流既可以是正，也可以是负：工作极处于氧化的传感器（例如CO传感器）产生流入IC2电流，而工作极处于还原的传感器（CL2或NO2）减少电流。对于第二种情况要确保IC2有足够的电流减少能力。 测量电路应用使用负载电阻Rload、内部电阻以及传感器内部电容来建立RC电路，选择Rload要在最快响应（低阻值Rload）和最佳噪音响应时间（高阻值Rload）做出让步：该RC电路影响RMS噪音值和响应时间。响应时间随Rload阻值的增加而线性增加。而噪音随Rload阻值的增加而快速降低。如果你需要最高分辨率，就要以丧失快速响应时间为代价。同样如果快速响应时间非常重要，那么通过减小显示的分辨率或加快采样信号速度及在软件中取几个数据的平均值来删除波动。由于电路的低阻抗特性，最好使用低噪音电流的工作放大器（通常在损失噪音电压的情况下）以获得全面的最佳噪音性能。 当传感器电流流过Rload时，传感器偏差电位将有微小变动，这就增加了传感器稳定时间，因为当有了气体时，传感器需要短时间来重新稳定。但是通常该瞬变看不出来的。气体浓度大和Rload阻值高时除外。计算测量电路的所需增益请参见下表1，。如果检测器/仪器不使用传感器的满量程，就简单按照你的测量范围放大灵敏度以决定传感器的最大电流，因为该灵敏度是典型值，允许大于满量程20%的输出进入模/数转换器。传感器满量程（ppm）灵敏度（nA/ppm） 典型值满量程输出（A）满量程输出（V）校定点（ppm）CO-BF，CO-B1，CO-BX10001001001.00400CO-AF100070700.70400CO-AX2000651301.30400CO-AE10000303003.002000CO-DF100040740.74400H2S-AH501200600.6020H2S=BH502000850.8520H2S-A1100750750.7520H2S-B1200370740.7420H2S-BE2000901801.80400H2S-AE20001052102.10400H2S-D1100140140.1420S02-AF20500100.1020SO2-BF100350350.3520SO2-AE2000701401.40400NO2-A120-3508-0.0810NO2-B120-75022-0.2210NO2-AE200-35070-0.75100NO-A1，-B12504001001.0050NO-AE10001001001.00400CL2-A120-3708-0.7010CL2-B120-900220.2210表1：Alphasense有毒气体传感器标定点输出参数表短路FET给不需偏差电压的传感器加短路FET是正常的。当电路断电时，参考电极和工作电极被短路在一起（有几十欧姆的残余电阻，确保工作电极保持在与参考电极相等的电位。短路FET通常情况下只要接通电源就始终是开路。 零偏差电压确保当电路在接通时，传感器即准备好。如果不使用短路FET，当电路关断时，让传感器开路，当下一次再接通时有毒气体传感器将需要几个小时去稳定。 如果偏差电压加到IC2，那么当关断电路时，传感器为零偏差电压，那么当再加偏差电压时，传感器将需要很长时间（可达几个小时）重新建立平衡。建议，对于加偏差电压的电路，偏差电压要始终存在，而且不要使用短路FET。这不会影响传感器的使用寿命。JFET（Q1）应是P型场效应管。FET类型如下表2所示。有表面安装或TO-92包装型（推荐的）制造商产品编码类型SiliconixSST117Surface MountSiliconixJ175TO-92SiliconixJ176TO-92SiliconixJ177TO-92FairchildJ175TO-92表2 为推荐的P型场效应管，当恒电位电路关断电源时将参考电极和工作电极短路。噪音，RFI/EMI屏蔽理想的恒电位电路中的测量和控制工作放大器直接安装在传感器下面以使线路最短。因为阻抗低，传感器电流小，减小噪音和改进RFI/EMI屏蔽，Alphasense Application Note AAN103又给出了更近一步的建议。传感器标定 注意有毒气体传感器灵敏度是可变的。一般值为+/-15%，因此必须在软件中标定以修正传感器与传感器间灵敏