深入剖析LMP91000：適用于低功耗化學(xué)傳感的可編程AFE

在電子工程領(lǐng)域，對于低功耗化學(xué)傳感應(yīng)用的需求日益增長。德州儀器（TI）推出的LMP91000可編程模擬前端（AFE），為這類應(yīng)用提供了出色的解決方案。今天，我們就來深入了解一下LMP91000這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

LMP91000專為微功耗電化學(xué)傳感應(yīng)用而設(shè)計，可用于3 - 引腳單氣體傳感器和2 - 引腳原電池傳感器。它能根據(jù)工作電極上的電流變化檢測氣體濃度的變化，并生成與電池電流成比例的輸出電壓。該器件的跨阻增益可通過I2C兼容接口在2.75 kΩ至350 kΩ之間進行編程，能輕松將電流范圍從5 μA轉(zhuǎn)換到750 μA滿量程。此外，它還支持多種電化學(xué)傳感器，優(yōu)化了微功耗應(yīng)用，工作電壓范圍為2.7 V至5.25 V，總電流消耗可小于10 μA。

二、產(chǎn)品特性

（一）電氣特性

1. 電源電壓與電流：電源電壓范圍為2.7 V至5.25 V，平均電源電流小于10 μA，在不同工作模式下電流消耗有所不同。例如，在3 - 引腳安培計電池模式下，典型電流為10 μA；在待機模式下，典型電流為6.5 μA。
2. 電極相關(guān)特性：電池調(diào)節(jié)電流高達10 mA，參考電極偏置電流（85°C）最大為900 pA，輸出驅(qū)動電流為750 μA。
3. 增益與偏置：可編程跨阻放大器（TIA）增益為2.75 kΩ至350 kΩ，可變偏置電壓可通過I2C接口編程為電源或外部參考電壓的1%至24%（共14步），內(nèi)部零電壓可設(shè)置為電源或外部參考電壓的67%、50%或20%。

（二）接口特性

I2C兼容數(shù)字接口，工作在標(biāo)準(zhǔn)模式（100 kHz）。輸入高電壓VIH為0.7 VDD（–40至80°C），輸入低電壓VIL為0.3 VDD（–40至80°C），輸出低電壓VOL在IOUT = 3 mA時為0.4 V。

（三）溫度特性

環(huán)境工作溫度范圍為–40°C至85°C，嵌入式溫度傳感器可在氣體濃度測量期間關(guān)閉以節(jié)省功率，溫度測量通過I2C接口觸發(fā)，輸出信號為電壓，可通過VOUT引腳讀取。

三、功能模塊詳解

（一）恒電位儀電路

這是LMP91000的核心部分，由差分輸入放大器、控制放大器（A1）和跨阻放大器組成。差分輸入放大器比較工作電極和參考電極之間的電位與所需的工作偏置電位，誤差信號經(jīng)放大后施加到對電極，以保持工作電極和參考電極之間的恒定電壓。跨阻放大器將工作電極的電流轉(zhuǎn)換為成比例的輸出電壓。

（二）跨阻放大器（TIA）

具有7個可編程內(nèi)部增益電阻，可適應(yīng)大多數(shù)現(xiàn)有傳感器的滿量程范圍，還可通過在C1和C2引腳之間連接外部增益電阻來調(diào)整增益。

（三）控制放大器（A1）

有兩個主要任務(wù)：為傳感器提供初始電荷和偏置電壓。它能夠驅(qū)動高達10 mA的電流進入傳感器，以實現(xiàn)快速初始調(diào)節(jié)，并且可以根據(jù)連接的氣體傳感器進行電流吸收和源出。不過，不建議關(guān)閉A1，因為傳感器從關(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)可能需要較長時間。

（四）可變偏置

為有偏置的氣體傳感器在參考電極和工作電極之間提供所需的偏置電壓，偏置電壓可通過I2C接口編程為電源或外部參考電壓的1%至24%，偏置極性也可進行編程。

（五）內(nèi)部零

是TIA同相引腳的電壓，可通過I2C接口編程為電源或外部參考電壓的67%、50%或20%，為傳感器的對電極提供足夠的擺動空間，并充分利用ADC的滿量程輸入范圍。

（六）溫度傳感器

可在氣體濃度測量期間關(guān)閉以節(jié)省功率，溫度測量通過I2C接口觸發(fā)，輸出信號為電壓，可通過VOUT引腳讀取。其輸出與溫度之間的關(guān)系可以通過線性近似方法進行擬合。

四、應(yīng)用場景

（一）化學(xué)物質(zhì)識別

能夠檢測不同化學(xué)物質(zhì)的濃度變化，實現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的識別。

（二）安培計應(yīng)用

在安培計測量中，提供精確的電流檢測和轉(zhuǎn)換功能。

（三）電化學(xué)血糖儀

可用于電化學(xué)血糖儀的設(shè)計，實現(xiàn)血糖濃度的準(zhǔn)確測量。

五、設(shè)計要點

（一）電源設(shè)計

由于LMP91000用于便攜式設(shè)備，電源設(shè)計至關(guān)重要。要確保電源電壓穩(wěn)定在2.7 V至5.25 V之間，以保證器件的正常工作。同時，要根據(jù)不同的工作模式合理安排電源，以降低功耗，延長電池壽命。

（二）布局設(shè)計

在布局時，要特別注意傳感器與LMP91000的連接。RE、CE和WE走線應(yīng)盡量短，并遠離高頻信號，如時鐘信號。可以將LMP91000放置在氣體傳感器下方，以縮短走線長度。如果使用外部跨阻增益電阻，應(yīng)將其靠近LMP91000放置，且連接到C1的電阻端子要遠離高頻信號。

（三）多器件連接

如果需要在I2C總線上連接多個LMP91000，可以使用MENB引腳來選擇每個設(shè)備。將MENB連接到微控制器的專用GPIO端口，通過控制MENB的邏輯電平來啟用或禁用I2C通信。

六、總結(jié)

LMP91000作為一款可編程模擬前端，在低功耗化學(xué)傳感應(yīng)用中具有出色的性能和豐富的功能。它的可編程性、低功耗特性以及對多種傳感器的支持，使其成為化學(xué)傳感領(lǐng)域的理想選擇。在設(shè)計過程中，我們需要充分考慮電源、布局和多器件連接等方面的因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似器件的使用問題呢？歡迎留言討論。