AD5940/AD5941：高精度阻抗與電化學前端的卓越之選

在電子設計領域，高精度的模擬前端（AFE）對于各類測量應用至關重要。今天，我們就來深入探討一下ADI公司推出的AD5940/AD5941，看看它在阻抗和電化學測量方面的出色表現。

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一、產品概述

AD5940和AD5941是專為便攜式應用設計的高精度、低功耗模擬前端，適用于需要高精度電化學測量技術的場景，如安培測量、伏安測量或阻抗測量。它們在皮膚阻抗和人體阻抗測量方面表現出色，還能與AD8233 AFE配合，構建完整的生物電或生物電位測量系統，同時也適用于電化學有毒氣體傳感。

這兩款芯片由兩個高精度激勵回路和一個公共測量通道組成，能夠對被測傳感器進行廣泛的測量。第一個激勵回路由超低功耗雙輸出數模轉換器（DAC）和低功耗、低噪聲恒電位儀組成，可產生直流到200 Hz的信號；第二個激勵回路則由一個12位DAC（高速DAC）構成，能夠產生高達200 kHz的高頻激勵信號。

二、關鍵特性剖析

1. 模擬輸入與測量能力

• ADC性能：配備16位ADC，提供800 kSPS和1.6 MSPS兩種采樣速率選項，具備電壓、電流和阻抗測量能力，支持內部和外部電流與電壓通道。其積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）表現出色，能有效保證測量的準確性。
• 低泄漏開關矩陣和輸入多路復用器：超低泄漏的開關矩陣將傳感器連接到內部模擬激勵和測量模塊，為連接外部跨阻放大器電阻（RTIAs）和校準電阻提供接口，還可將多個電子測量設備多路復用到相同的可穿戴電極上。
• 輸入緩沖器和可編程增益放大器：輸入緩沖器支持低輸入電流泄漏規格，可編程增益放大器（PGA）支持1、1.5、2、4和9的增益設置，能適應不同的輸入范圍。

2. 信號生成與處理

• DAC輸出：超低功耗DAC為雙輸出串式DAC，有12位（VBIAS0）和6位（VZERO0）兩種輸出分辨率格式，輸出電壓范圍為0.2 V至2.4 V（12位輸出）和0.2 V至2.366 V（6位輸出）。高速DAC為12位，輸出范圍為±607 mV，其輸出還配備可編程增益放大器，增益設置為2和0.05。
• 波形生成：數字波形發生器可生成正弦和梯形波形，最高頻率可達200 kHz，為測量提供多樣化的激勵信號。
• 數字信號處理：離散傅里葉變換（DFT）硬件加速器用于復阻抗測量，能自動計算幅度和相位值，減輕主機控制器的處理負擔。

3. 放大器與參考源

• 恒電位儀放大器：低功耗、低噪聲的恒電位儀放大器適用于電化學傳感中的恒電位偏置，輸入偏置電流低至20 - 150 pA，能有效穩定傳感器的偏置電壓。
• 跨阻放大器（TIA）：低功耗TIA和高速TIA分別用于測量低帶寬和高帶寬信號，輸入偏置電流小，噪聲低，且可編程負載和增益電阻，能適應不同傳感器的輸出。
• 參考電壓源：提供1.82 V和2.5 V的內部參考電壓源，確保ADC和DAC電路的低漂移性能。

4. 系統級特性

• 電源管理：具有多種電源模式，包括活動高功率模式（>80 kHz）、活動低功率模式（<80 kHz）、休眠模式和關機模式，能根據不同的應用場景靈活調整功耗。超低功耗恒電位儀通道在開機且其他模塊處于休眠模式時，電流消耗僅為6.5 μA。
• 可編程序列器：6 kB的靜態隨機存取存儲器（SRAM）用于預編程AFE序列，可實現對AFE芯片的自主控制，減輕主機控制器的工作負載。
• 傳感器同步與數據采集：支持智能傳感器同步和數據采集，能實現對傳感器測量的周期精確控制。
• 片上外設：具備SPI串行輸入/輸出、喚醒定時器、中斷控制器等片上外設，方便與外部設備進行通信和控制。

三、寄存器配置與操作

1. 配置寄存器

AD5940/AD5941有多個配置寄存器，如AFECON、PMBW等，用于配置AFE的各種功能，包括DAC緩沖器、參考源、濾波器、波形發生器等的啟用和禁用。通過對這些寄存器的設置，可以靈活調整芯片的工作模式和性能。

2. 系統初始化

在每次設備復位后，需要進行初始化序列，向特定的寄存器寫入特定的數據，以確保設備正常運行。如果初始化序列不正確，設備將無法正常工作。

3. 各模塊電路寄存器

低功率DAC、低功率恒電位儀、低功率TIA、高速DAC、高速TIA、高性能ADC等模塊都有各自的寄存器，用于配置其工作參數，如增益、偏移、采樣率等。這些寄存器的合理設置對于實現精確的測量至關重要。

四、應用領域

1. 電化學測量

在電化學氣體傳感器測量、恒電位儀/安培測量/伏安測量/循環伏安測量等方面，AD5940/AD5941能夠提供高精度的測量結果。通過低功率DAC設置傳感器的偏置電壓，利用TIA測量傳感器的電流輸出，再結合ADC進行數據采集和處理。

2. 生物阻抗應用

可用于皮膚阻抗和人體阻抗測量，以及連續葡萄糖監測和電池阻抗測量。在生物阻抗測量中，高速DAC和DFT硬件加速器的配合，能夠準確測量生物組織的阻抗特性。

3. 其他應用

還可用于智能水/液體質量分析，通過測量pH值、電導率、氧化還原電位和溫度等參數，實現對水質的監測。

五、總結

AD5940/AD5941憑借其高精度、低功耗、豐富的功能和靈活的配置，為電子工程師在電化學和阻抗測量領域提供了一個強大的解決方案。無論是在醫療設備、環境監測還是工業控制等領域，都能發揮重要作用。在實際應用中，工程師們可以根據具體需求，合理配置寄存器和參數，充分發揮芯片的性能優勢。你在使用AD5940/AD5941的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。