【導讀】當前，消費級
、醫療
、gongyedengzhinengjianceshebeiyinglaibaozhaxingzengchang。suizhezhexieshebeiyuelaiyuezhineng，zhubuchengdanqihuanjingherendezhudongjiancegongneng，bingshishitigongyucexingxiangying
，baokuogaojing
、執(zhi)行(xing)或(huo)推(tui)薦(jian)操(cao)作(zuo)等(deng)等(deng)。不(bu)過(guo)，智(zhi)能(neng)響(xiang)應(ying)的(de)優(you)劣(lie)，很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)依(yi)賴(lai)於(yu)內(nei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)所(suo)收(shou)集(ji)數(shu)據(ju)的(de)精(jing)度(du)和(he)廣(guang)度(du)。由(you)此(ci)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)更(geng)新(xin)迭(die)代(dai)變(bian)得(de)尤(you)為(wei)關(guan)鍵(jian)。

duiyuchuanganqiyingyongshejigongchengshilaishuo
，ruheliyongyouxiandechanpinkongjianbujuzuixiaohuadechuanganqimokuai，tongshibaochigaojingdubingyanchangdianchishouming，shimianlindejudatiaozhan。weilejiejuetiaozhan，yibanyouliangzhongyingduisiwei：一是最大化元器件和係統操作的能效比
，一是投資研發新型低功耗架構。在ADIkanlai，diyizhongfangfazhiliyukaifayikaodianchigongzuogengchangshijianbingtigonggenggaoxiangyingduhejingdudexitong
，youwangbangzhushejirenyuanzaiduanqineishixianqimubiao，xiangjiaoxiahuigengweijiandanzhijie。

最大化電源效率

一般來說，智能設備中傳感器是由係統電源、傳感器、傳chuan感gan器qi信xin號hao放fang大da和he信xin號hao處chu理li四si個ge基ji本ben模mo塊kuai組zu成cheng。選xuan擇ze合he適shi的de器qi件jian對dui於yu最zui大da化hua傳chuan感gan器qi模mo塊kuai的de電dian池chi壽shou命ming至zhi關guan重zhong要yao。那na麼me如ru何he優you化hua上shang述shu四si大da模mo塊kuai
，來lai提ti高gao電dian源yuan效xiao率lv並bing提ti供gong更geng精jing確que的de測ce量liang呢ne？

●   傳感器選擇

第一個考慮是傳感器。當今傳感器模塊中使用的傳感器主要有兩種類型：單端傳感器和差分傳感器。單端傳感器包括用於血糖檢測的電化學傳感器、氣體傳感器和可穿戴醫療傳感器。差分傳感器通常使用儀器放大器，應用包括工業壓力或力傳感器、工業溫度傳感器、醫療應用中的線內空氣(air-inline)和阻塞傳感器等。這些在醫用胰島素泵和線內空氣探測器中很常見。

gengchangjiandechuanganqileixingshidianhuaxuechuanganqi。zhexieshidigonghaochuanganqi，baokuoxuetangchuanganqi，shuyibaiwanjidetangniaobinghuanzheshiyongzhezhongchuanganqikongzhiqixuetangshuiping。qitayingyongbaokuoqitichuanganqi（例如二氧化碳(CO2)傳感器）、水質（電導率

、pH值等）傳感器
、用於機油降解的酒精傳感器以及檢測爆炸物的傳感器。 

電化學傳感器的大多數應用是便攜式和電池供電應用。雖然家庭CO2傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)可(ke)正(zheng)常(chang)使(shi)用(yong)五(wu)到(dao)七(qi)年(nian)
，但(dan)大(da)約(yue)每(mei)六(liu)個(ge)月(yue)至(zhi)一(yi)年(nian)便(bian)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)更(geng)換(huan)新(xin)電(dian)池(chi)。為(wei)了(le)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)
，製(zhi)造(zao)商(shang)使(shi)用(yong)最(zui)新(xin)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)器(qi)件(jian)，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)從(cong)電(dian)池(chi)消(xiao)耗(hao)的(de)電(dian)流(liu)量(liang)極(ji)小(xiao)。

接下來
，以一種具體類型的電化學傳感器——乙醇傳感器為例
，來了解其工作原理。

●   乙醇傳感器工作原理

乙醇傳感器是一種安培法氣體傳感器，其產生的電流與氣體的體積分數成正比。它是一種三電極器件，乙醇在工作（或檢測）電極(WE)上測量。對電極(CE)使電路完整
，而參考電極(RE)在電解質中提供穩定的電化學電位，它不接觸乙醇。對於SPEC傳感器
，將+600mV偏置電壓施加於RE。

很多電化學傳感器需要固定的偏置才能正常工作

，這給電池壽命帶來了額外負擔。由此必須考慮係統的電源要求。

●   電源要求

係統的功率預算及其電池容量，最終決定了傳感器的工作壽命。小尺寸電池供電解決方案的典型目標是使用單節1.5V電池。使用單節電池會降低容量，從而影響傳感器的工作壽命。那麼，可以采取什麼措施來優化單節電池的工作壽命？ 

當充滿電時，即在其壽命開始時，單節電池為1.5V。此電壓隨著時間推移而逐漸下降，在壽命結束時為0.9V。為了最大程度地延長單節電池的壽命
，應用必須在0.9V至1.5V之間運行
，才能獲得最長的應用工作時間。由於其他係統器件以1.8V運行
，因此必須選擇一個DC-DC升壓轉換器，它應能最大程度地提高工作和待機電流效率
，並能在0.9V至1.5V範圍內運行。

擁有95％的高效率不是高效電源轉換的唯一考慮因素。升壓調節器還必須能夠在寬電流範圍內高效工作，從而降低靜態電流(IQ)和(he)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)熱(re)量(liang)耗(hao)散(san)。應(ying)用(yong)大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)處(chu)於(yu)待(dai)機(ji)模(mo)式(shi)，因(yin)此(ci)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)在(zai)輕(qing)載(zai)待(dai)機(ji)狀(zhuang)態(tai)下(xia)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)高(gao)效(xiao)率(lv)，以(yi)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。關(guan)斷(duan)特(te)性(xing)通(tong)過(guo)關(guan)閉(bi)部(bu)分(fen)電(dian)路(lu)將(jiang)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)降(jiang)至(zhi)nA級範圍

，這也能大幅降低功耗。 

●   信號鏈解決方案

傳感器產生的輸出信號通常很微弱
，隻有幾uV
，而模數轉換器需要V級的信號。因此，選擇低功耗、高精度放大器是設計中第二重要的考慮因素。 

低功耗放大器有兩個重要方麵——電流消耗和工作電壓
，因為許多傳感器需要偏置電流以維持精度。這要求應用的傳感器部分開啟以保持準確的讀數。此外，0.9V至1.5V的低工作電壓支持單節電池供電，無需升壓轉換器。 

tongchang，xuanzedigonghaofangdaqidequedianshijingdujiaodi。danshi，cunzaiyixiedigonghaofangdaqi，jishizaidigongzuodianliuhedianyaxia，tamenyenengbaochihengaodejingdushuiping。jingmifangdaqideyixietexingbaokuo：亞微伏(µV)輸入失調電壓
、nV/℃級的電壓漂移以及pA級的輸入偏置電流。

低功耗微控製器與集成ADC相結合
，可提供一種低功耗傳感器解決方案
，它能在最大化電池壽命的同時使應用保持小尺寸。

乙醇傳感器解決方案的測量

除了器件級別的改進之外，還可以優化係統架構，在相同的精密測量水平下實現更低的功耗。為了證明這一點
，ADI對(dui)使(shi)用(yong)相(xiang)似(si)器(qi)件(jian)的(de)乙(yi)醇(chun)傳(chuan)感(gan)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)進(jin)行(xing)了(le)兩(liang)次(ci)實(shi)驗(yan)測(ce)量(liang)
，並(bing)對(dui)未(wei)來(lai)傳(chuan)感(gan)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)展(zhan)開(kai)了(le)一(yi)次(ci)理(li)論(lun)測(ce)量(liang)
，後(hou)者(zhe)顯(xian)示(shi)出(chu)節(jie)省(sheng)電(dian)能(neng)的(de)優(you)勢(shi)。

該實驗使用下麵列出的器件
，對於乙醇電化學傳感器測量，這些器件具有相同的占空比。

   ○ SPEC電化學乙醇傳感器

   ○ MAX40108 1V精密運算放大器/1.8V運算放大器

   ○ MAX17220 0.4-5.5V nanoPower同步升壓轉換器，提供True Shutdown™

   ○ MAX6018A 1.8V精密
、低壓差基準電壓源

   ○ MAX32660 1.8V超低功耗Arm® Cortex®-M4處理器

   ○ 單節1.5V AA電池

●   傳統1.8V係統 

1.8V係統解決方案使用單節電池供電，利用高效的升壓轉換器為乙醇傳感器、運算放大器和帶ADC的微處理器提供1.8V係統電源。0.1％活動的占空比由微控製器控製
，微控製器喚醒後進行測量，然後又回到睡眠模式。

圖1.傳統1.8V傳感器係統解決方案

待機模式下的傳感器利用升壓轉換器維持睡眠模式下傳感器
、運算放大器和微控製器的電源。在待機狀態下，該係統消耗150.8µA的電流。在活動狀態期間，微控製器喚醒並進行傳感器測量。在活動狀態下，該係統短時間消耗14mA。活動狀態僅占0.1％的時間，經計算可知，活動和待機模式合並的平均電流為164µA，這是實際傳感器應用的典型值。

●   1V放大器係統 

在1V放大器解決方案中
，SPEC乙醇傳感器和MAX40108 1V運算放大器均直接連接到電池。這需要一個能以低至0.9V的電壓工作
、保持高精度水平並最大化單節電池使用壽命的放大器。

圖2.新一代1V放大器傳感器解決方案

其餘電路與為微控製器供電並支持1.8V電路的升壓調節器類似。在這種配置中，電流大幅減少到81.9µA，降幅為45％；平均電流減少到95.7µ A，降幅為41.79％。結果，使用MAX40108 1V運算放大器的係統的電池壽命幾乎是傳統係統的兩倍。

●   未來的1V信號鏈係統 

在未來的1V信號鏈解決方案中

，放大器、ADC和微控製器均以低至0.9V的(de)電(dian)壓(ya)工(gong)作(zuo)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)高(gao)精(jing)度(du)水(shui)平(ping)。這(zhe)使(shi)得(de)整(zheng)個(ge)信(xin)號(hao)鏈(lian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)都(dou)可(ke)以(yi)由(you)單(dan)節(jie)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)
，從(cong)而(er)無(wu)需(xu)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)得(de)以(yi)最(zui)大(da)化(hua)。 

圖3.未來的1V傳感器係統解決方案

結論

人們對智能AI係統的需求日益增加，並激發了對具有額外功能、更高精度和更長壽命的傳感器需求。傳感器必須提供小尺寸解決方案，既可以由人佩戴，也可以聯網，從而確定一個人、生產車間、建築物或城市的健康狀況，使係統能夠積極主動響應，而不是被動應對。更進一步
，對於那些受益於新一代AI係統的人而言
，主動響應可改善健康狀況、降低成本、提高生產率並增強安全性。

如今，在賦能AI係統的傳感器網絡中，創新正在不同領域層麵上悄然萌發。尤其是以ADI為代表的IC製造商們，通過開發更低功耗的傳感器構建模塊，將切實推動工程師構建起更智慧
、更高效的嶄新係統。 

關於ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，致力於解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借傑出的檢測、測量
、電源、連接和解譯技術，搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網www.analog.com/cn。

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