【導讀】隨著係統變得越來越以數據為中心
，工業
、物聯網、家庭醫療可穿戴式、健jian身shen和he健jian康kang方fang麵mian的de監jian控kong器qi正zheng在zai經jing曆li爆bao炸zha性xing增zeng長chang。這zhe些xie以yi數shu據ju為wei中zhong心xin的de係xi統tong對dui更geng多duo功gong能neng和he更geng低di功gong耗hao的de需xu求qiu不bu斷duan增zeng加jia。該gai趨qu勢shi由you智zhi能neng係xi統tong驅qu動dong，這zhe些xie係xi統tong會hui主zhu動dong監jian視shi一yi個ge人ren或huo環huan境jing
，並bing做zuo出chu預yu測ce性xing的de響xiang應ying，包bao括kuo告gao警jing、dongzuohuotuijiandecaozuo。xiangyingdehaohuaiqujueyusuotigongdeshuju，zhexiexitongxuyaotongguodangechuanganqihuowuxianchuanganqiwangluoshoujidalianggaojingdushujudeyuanyinzhengzaiyuci。

傳(chuan)感(gan)器(qi)應(ying)用(yong)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)需(xu)要(yao)占(zhan)板(ban)麵(mian)積(ji)最(zui)小(xiao)化(hua)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)模(mo)塊(kuai)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)高(gao)精(jing)度(du)並(bing)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)，有(you)兩(liang)種(zhong)應(ying)對(dui)思(si)維(wei)：一是最大化元器件和係統操作的能效 比(bi)

，一(yi)是(shi)投(tou)資(zi)研(yan)發(fa)新(xin)型(xing)低(di)功(gong)耗(hao)架(jia)構(gou)。第(di)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)致(zhi)力(li)於(yu)開(kai)發(fa)依(yi)靠(kao)電(dian)池(chi)工(gong)作(zuo)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)並(bing)提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)響(xiang)應(ying)度(du)和(he)精(jing)度(du)的(de)係(xi)統(tong)，有(you)望(wang)幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)短(duan)期(qi)內(nei)實(shi)現(xian)其(qi)目(mu)標(biao)。

最大化電源效率

圖1. 當前AI係統使用的設計如上麵的傳感器框圖所示。

上麵的圖1顯示了傳感器應用的典型框圖。解決方案的四個基本模塊是係統電源、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)。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)。下(xia)麵(mian)我(wo)們(men)仔(zai)細(xi)研(yan)究(jiu)每(mei)個(ge)模(mo)塊(kuai)，看(kan)看(kan)可(ke)以(yi)做(zuo)些(xie)什(shen)麼(me)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)。

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CO2chuanganqiyibankezhengchangshiyongwudaoqinian，dandayuemeiliugeyuezhiyinianbiankenengxuyaogenghuanxindianchi。weileyanchangdianchishouming
，zhizaoshangshiyongzuixindedigonghaoqijian
，zhexieqijiancongdianchixiaohaodedianliuliangjixiao。

接下來我們仔細研究一種具體類型的電化學傳感器——乙醇傳感器，並了解其工作原理。

乙醇傳感器工作原理

圖1中使用的乙醇傳感器是一個安培法氣體傳感器，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的負擔。現在我們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)和工作過程中的熱量耗散。應用大部分時間處於待機模式， 因此升壓轉換器在輕載待機狀態下必須具有高效率
，以延長電池壽命。關斷特性通過關閉部分電路將電流消耗降至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。

通tong常chang，選xuan擇ze低di功gong耗hao放fang大da器qi的de缺que點dian是shi精jing度du較jiao低di。但dan是shi，存cun在zai一yi些xie低di功gong耗hao放fang大da器qi，即ji使shi在zai低di工gong作zuo電dian流liu和he電dian壓ya下xia，它ta們men也ye能neng保bao持chi很hen高gao的de精jing度du水shui平ping。精jing密mi放fang大da器qi的de一yi些xie特te性xing包bao括kuo：亞微伏(µV)輸入失調電壓
、nV/°C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

chuleqijianjibiedegaijinzhiwai，haikeyiyouhuaxitongjiagou，zaixiangtongdejingmiceliangshuipingxiashixiangengdidegonghao。weilezhengmingzheyidian
，womenjiangtigongshiyongxiangsiqijiandeyichunchuanganqijiejuefangandeliangcishiyanceliang，yijiweilaichuanganqijiejuefangandeyicililunceliang，houzhexianshichulejieshengdiannengdeyoudian。

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

圖2. 上圖所示為傳統的1.8V傳感器係統解決方案。

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。

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

圖3. 上圖所示為新一代1V放大器傳感器解決方案。

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。

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

圖4. 上麵的框圖顯示了未來的1V傳感器係統解決方案。

在這個未來的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)。

結論

人們對更智能AI係統的需求在增長，因此對具有額外功能

、更高精度和更長壽命的傳感器的需求也隨之增長。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jian築zhu物wu或huo城cheng市shi的de健jian康kang狀zhuang況kuang，使shi係xi統tong能neng夠gou積ji極ji主zhu動dong響xiang應ying，而er不bu是shi被bei動dong應ying對dui。更geng進jin一yi步bu，對dui於yu那na些xie受shou益yi於yu新xin一yi代dai係xi統tong的de人ren而er言yan，主zhu動dong響xiang應ying可ke改gai善shan健jian康kang狀zhuang況kuang、降低成本、提高生產率並增強安全性。

在賦能AI係統的傳感器網絡中，創新正在許多不同的層麵上發生。尤其是IC製造商
，它們正在開發更低功耗的傳感器構建模塊
，以幫助今天的工程師為明天創建更智慧
、更高效的係統。

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