探索LMP91002：用于低功耗化學傳感的可配置AFE恒電位儀

在電子工程領域，化學傳感應用對于檢測氣體濃度等方面有著至關重要的作用。而LMP91002作為一款可編程的模擬前端（AFE），為微功耗電化學傳感應用提供了出色的解決方案。下面我們就來詳細了解一下這款器件。

文件下載：lmp91002.pdf

一、產(chǎn)品概述

LMP91002是一款專為微功耗化學傳感應用設計的可編程AFE。它適用于3 - 引腳無偏置氣體傳感器和2引腳原電池，能夠根據(jù)工作電極的電流變化檢測氣體濃度的變化，并生成與電池電流成正比的輸出電壓。該器件工作電壓范圍為2.7V至3.6V，總電流消耗可小于10μA，非常適合低功耗應用。

二、關鍵特性

2.1 低功耗特性

• 低平均供給電流：平均供給電流小于10μA，在不同工作模式下，如深度睡眠模式（MODECN = 0x00）下，25°C時典型電流僅為0.6μA，極端溫度下也不超過1μA；待機模式（MODECN = 0x02）下，25°C時典型電流為6.5μA。
• 可電源管理：可以通過關閉跨阻放大器（TIA），并使用內(nèi)部開關將參考電極短路到工作電極，進一步節(jié)省功耗。

2.2 寬量程與高兼容性

• 支持多種氣體靈敏度：支持的氣體靈敏度范圍從0.5nA/ppm到9500nA/ppm。
• 靈活的電流范圍轉換：通過內(nèi)部7個可編程的增益電阻，以及可連接外部增益電阻的設計，能夠輕松實現(xiàn)5μA至750μA滿量程的電流范圍轉換，跨阻放大器（TIA）增益可通過I2C接口在2.75kΩ至350kΩ之間編程設置。

2.3 其他特性

• 完整的恒電位儀電路：能夠與大多數(shù)無偏置氣體傳感器接口，保證了信號檢測的準確性。
• 低偏置電壓漂移：確保了在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。
• I2C兼容數(shù)字接口：方便與微控制器進行通信，實現(xiàn)配置和診斷功能。
• 寬環(huán)境溫度范圍：可在 - 40°C至85°C的環(huán)境溫度下工作。

三、引腳配置與功能

LMP91002采用14引腳WSON封裝，各引腳功能明確：

• 電源與接地引腳：VDD為電壓供應引腳，DGND和AGND分別為數(shù)字地和模擬地。
• I2C接口引腳：SCL為I2C時鐘引腳，SDA為I2C數(shù)據(jù)引腳，用于與外部設備進行通信。
• 傳感器連接引腳：WE、RE和CE分別連接傳感器的工作電極、參考電極和對電極。
• 其他引腳：如MENB為模塊使能引腳，低電平有效；VOUT為模擬電壓輸出引腳，代表傳感器輸出。

四、性能參數(shù)

4.1 絕對最大額定值

• 引腳電壓：任意兩個引腳之間的電壓最大為6V。
• 電流限制：通過VDD或VSS的電流最大為50mA，CE引腳的灌電流和拉電流最大為10mA，其他引腳的電流最大為5mA。
• 溫度限制：結溫最大為150°C，存儲溫度范圍為 - 65°C至150°C。

4.2 ESD評級

• 人體模型（HBM）：±2000V。
• 帶電器件模型（CDM）：±1000V。
• 機器模型（MM）：±200V。

4.3 推薦工作條件

• 電源電壓：VS = (VDD - AGND)為2.7V至3.6V。
• 溫度范圍： - 40°C至85°C。

4.4 電氣特性

• 電源電流：在不同工作模式下有不同的電流消耗，如3 - 引腳安培計單元模式下，25°C時典型電流為10μA。
• 輸入偏置電流：RE引腳的輸入偏置電流在不同條件下有相應的限制，如在內(nèi)部零電壓為50%VDD，VDD = 2.7V時，25°C下為 - 800pA至800pA。
• 跨阻增益與線性度：跨阻增益精度為5%，線性度為±0.05%。

五、功能模塊詳解

5.1 恒電位儀電路

恒電位儀電路是LMP91002的核心，它通過差分輸入放大器比較工作電極和參考電極之間的電位與零偏置電位，將誤差信號放大后應用到對電極，以保持工作電極和參考電極之間的電壓恒定。跨阻放大器連接到工作電極，將電池電流轉換為成比例的輸出電壓。

5.2 跨阻放大器

跨阻放大器具有7個可編程的內(nèi)部增益電阻，可適應大多數(shù)現(xiàn)有傳感器的滿量程范圍。同時，還可以在C1和C2引腳之間連接外部增益電阻，通過I2C接口設置增益。

5.3 控制放大器

控制放大器（A1）為傳感器提供初始電荷，能夠向傳感器注入高達10mA的電流，以實現(xiàn)快速初始調(diào)節(jié)。它可以根據(jù)連接的氣體傳感器進行灌電流和拉電流操作，但不建議關閉該放大器，以免傳感器恢復時間過長。

5.4 內(nèi)部零電壓

內(nèi)部零電壓是跨阻放大器同相引腳的電壓，可以通過I2C接口將其編程為電源電壓或外部參考電壓的67%、50%或20%，這樣可以為傳感器的對電極提供足夠的擺幅空間，并充分利用ADC的滿量程輸入范圍。

5.5 2 - 引腳原電池配置

當LMP91002與原電池（如氧氣氣體傳感器）連接時，將其對電極和參考電極引腳短路并連接到原電池的負極，原電池的正極連接到工作電極引腳。此時，LMP91002配置為3 - 引腳安培計單元模式，控制放大器（A1）和跨阻放大器（TIA）都開啟，將氣體傳感器產(chǎn)生的電流轉換為電壓。

六、編程與配置

6.1 I2C接口

LMP91002的I2C接口工作在標準模式（100kHz），需要在SCL和SDA引腳外接上拉電阻或電流源。器件具有一個7位固定的總線地址：1001 000。

6.2 讀寫操作

• 寫操作：在進行寫操作時，需要將MENB引腳置為低電平，主設備先發(fā)送起始條件，接著發(fā)送7位從設備地址和讀寫位。如果地址匹配，LMP91002會發(fā)送ACK信號，然后主設備發(fā)送8位寄存器地址指針和8位數(shù)據(jù)，最后主設備發(fā)送停止條件。
• 讀操作：讀操作需要先設置LMP91002的地址指針，同樣需要將MENB引腳置為低電平，然后按照特定的序列進行讀寫操作，最后LMP91002會發(fā)送出寄存器的8位數(shù)據(jù)。

6.3 多設備連接

可以將多個LMP91002連接到I2C總線上，通過MENB引腳選擇要通信的設備。每個LMP91002的MENB引腳連接到微控制器的專用GPIO端口，微控制器通過控制MENB引腳的電平來實現(xiàn)與不同設備的通信。

6.4 寄存器映射

LMP91002的寄存器用于配置器件的各種功能，主要寄存器包括：

• STATUS寄存器：指示設備的上電狀態(tài)，“0”表示未準備好接受其他I2C命令，“1”表示準備好。
• LOCK寄存器：用于保護TIACN和REFCN寄存器的寫入操作，“0”表示可寫模式，“1”表示只讀模式。
• TIACN寄存器：用于配置跨阻增益。
• REFCN寄存器：用于配置內(nèi)部零電壓和參考源。
• MODECN寄存器：用于配置設備的工作模式，如深度睡眠模式、待機模式和3 - 引腳安培計單元模式。

七、應用與實現(xiàn)

7.1 氣體傳感器接口

LMP91002支持3 - 引腳和2 - 引腳氣體傳感器。對于3 - 引腳安培計單元，將傳感器的引腳連接到LMP91002對應的引腳，配置為3 - 引腳安培計單元模式，跨阻放大器將傳感器產(chǎn)生的電流轉換為電壓。如果需要不同的增益，可以在C1和C2引腳之間連接外部電阻。

7.2 傳感器測試程序

LMP91002具備實現(xiàn)傳感器測試程序的硬件和可編程特性。測試程序的目的是測試傳感器的正常功能和與LMP91002的正確連接。通過向REFCN寄存器寫入特定的值，可以在參考電極和工作電極之間施加一個階躍電壓，檢測傳感器中的瞬態(tài)電流。如果未檢測到瞬態(tài)電流，則說明傳感器可能存在故障或連接問題。

7.3 典型應用

7.3.1 設計要求

在設計時，首要任務是根據(jù)傳感器的預期電流范圍選擇合適的TIA增益，使VOUT范圍落在采樣ADC的滿量程電壓范圍內(nèi)。例如，當傳感器的電流輸出范圍為0至100,000nA，ADC的滿量程輸入范圍為0至1V時，根據(jù)公式 (ENSOR×Gain = R_{TIA}×10^{-4}A ≤ 1V)，可計算出合適的跨阻增益。

7.3.2 詳細設計流程

• 智能氣體傳感器模擬前端：LMP91002與外部EEPROM構成智能氣體傳感器AFE的核心。EEPROM中存儲氣體傳感器的類型、校準信息和LMP91002的配置信息。啟動時，微控制器讀取EEPROM的內(nèi)容并配置LMP91002。
• 多智能氣體傳感器AFE連接：可以將多個智能氣體傳感器AFE連接到I2C總線上，微控制器通過控制MENB引腳來選擇要通信的設備。

八、電源供應建議

LMP91002適用于便攜式設備，其功耗盡可能低以確保長電池壽命。在3.3V平均電壓下，總功耗低于10μA（不包括引腳的電流消耗）。典型應用如便攜式氣體檢測器，其功耗在不同工作模式下有所不同。通過合理使用待機模式和深度睡眠模式，可以進一步降低平均功耗。

九、布局建議

LMP91002的布局相對簡單，傳感器電極可以圍繞LMP91002布置，以實現(xiàn)緊湊的布局。只需要在VDD引腳連接一個或多個旁路電容，在TIA的C1或C2引腳連接一個或兩個可選的外部組件，用于提供額外的濾波或增益。

十、總結

LMP91002作為一款可配置的AFE恒電位儀，在低功耗化學傳感應用中具有諸多優(yōu)勢，如低功耗、寬量程、高兼容性等。通過合理的設計和配置，可以充分發(fā)揮其性能，滿足各種氣體檢測等化學傳感應用的需求。各位工程師在實際應用中，不妨根據(jù)具體的需求和場景，深入挖掘LMP91002的潛力，創(chuàng)造出更出色的設計。你在使用類似器件時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。