LMP91200：低功耗化學(xué)傳感應(yīng)用的理想AFE

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，為低功耗、分析傳感應(yīng)用尋找合適的傳感器前端（AFE）是一項關(guān)鍵任務(wù)。今天，我們就來詳細(xì)聊聊德州儀器（TI）推出的LMP91200，一款專門為低功耗化學(xué)傳感應(yīng)用設(shè)計的可配置AFE。

文件下載：lmp91200.pdf

一、關(guān)鍵特性解讀

（一）低輸入偏置電流

LMP91200的pH緩沖器輸入偏置電流極低。在室溫（25°C）下，當(dāng)輸入電壓范圍為 (0 < V{INP} < 3.3V) 時，最大輸入偏置電流僅為 ±125 fA；在85°C時，最大也不過 ±445 fA。即使在無電源電壓（(V{S}=(VDD - GND)=0V)），且 (-500 mV < V{INP} - V{CM} < 500 mV) 的情況下，25°C時最大輸入偏置電流為 ±600 fA，85°C時為 ±6.5 pA。如此低的輸入偏置電流，對于pH測量來說至關(guān)重要，它能最大程度減少測量誤差，提高測量精度。

（二）低輸入失調(diào)電壓及漂移

pH緩沖器的輸入失調(diào)電壓為 ±200 μV，輸入失調(diào)電壓漂移為 ±2.5 μV/°C。這意味著在不同的溫度環(huán)境下，該器件仍能保持較為穩(wěn)定的性能，減少因溫度變化而導(dǎo)致的測量誤差。

（三）低功耗設(shè)計

該器件的電源電流僅為50 μA，電源電壓范圍為1.8 V至5.5 V，非常適合低功耗應(yīng)用場景。在一些對功耗要求極高的便攜式化學(xué)傳感設(shè)備中，LMP91200的低功耗特性能夠顯著延長設(shè)備的續(xù)航時間。

（四）寬工作溫度范圍

LMP91200的工作溫度范圍為 –40°C至125°C，這使得它能夠在各種惡劣的環(huán)境條件下正常工作，具有很強的環(huán)境適應(yīng)性。

（五）有源保護(hù)功能

兩個保護(hù)引腳（GUARD1和GUARD2）為高寄生阻抗布線提供了支持。通過將保護(hù)環(huán)連接到這兩個引腳，可以有效減少輸入電流的泄漏，提高測量的準(zhǔn)確性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域分析

LMP91200主要應(yīng)用于pH傳感器平臺。在pH測量中，pH電極的輸出阻抗極高，通常在10 MΩ至1000 MΩ之間。而LMP91200的低輸入偏置電流特性，能夠?qū)⒂奢斎肫秒娏骱碗姌O電阻產(chǎn)生的電壓誤差降至最低。例如，當(dāng)使用輸出阻抗為10 MΩ的pH電極時，如果采用輸入偏置電流為3 nA的運算放大器，會產(chǎn)生30 mV的誤差；而使用LMP91200，誤差可大幅降低至1.25 μV。

三、器件詳細(xì)剖析

（一）功能模塊概述

LMP91200專為2電極傳感器設(shè)計，能夠根據(jù)傳感器的電壓差檢測變化。其內(nèi)部主要包含pH緩沖器、VCM緩沖器等功能模塊。

（二）各模塊功能特點

1. pH緩沖器：是一個單位增益緩沖器，在室溫下輸入偏置電流在幾十fA范圍內(nèi)。極低的偏置電流對pH測量的影響可以忽略不計。此外，它還配備了兩個保護(hù)引腳（GUARD1和GUARD2），便于設(shè)計保護(hù)環(huán)，減少輸入電流泄漏。
2. VCM緩沖器：在VCM引腳和VCMHI引腳分別提供共模電壓的緩沖和非緩沖版本。在進(jìn)行差分測量時，VOCM引腳會提供緩沖版本的副本。

四、設(shè)計要點與注意事項

（一）電源設(shè)計

VDD引腳應(yīng)使用10-μF、1-μF和0.1-μF的電容進(jìn)行旁路，并盡可能靠近LMP91200的VDD引腳（引腳1）放置。建議使用低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）為電源軌供電，如果使用DC-DC開關(guān)電源，則需要進(jìn)行充分的濾波以衰減開關(guān)頻率分量。

（二）布局設(shè)計

由于pH電極的高阻抗特性，在進(jìn)行pH測量時，需要進(jìn)行精心的電路布局和組裝。強烈建議采用保護(hù)技術(shù)，通過將LMP91200的輸入與PCB上的大電壓梯度隔離開來，減少寄生泄漏電流。具體來說，輸入引腳應(yīng)完全被保護(hù)環(huán)包圍，保護(hù)走線應(yīng)環(huán)繞輸入連接，并且位于PCB的兩側(cè)并連接在一起。同時，焊接掩膜不應(yīng)覆蓋輸入和保護(hù)區(qū)域，也不建議使用插座，因為它們可能是顯著的泄漏源。組裝完成后，需要使用商用溶劑進(jìn)行徹底清潔。

五、總結(jié)

LMP91200憑借其低輸入偏置電流、低功耗、寬工作溫度范圍以及有源保護(hù)等特性，成為低功耗化學(xué)傳感應(yīng)用，尤其是pH傳感器平臺的理想選擇。在實際設(shè)計過程中，工程師需要充分考慮電源設(shè)計和布局設(shè)計等要點，以確保器件能夠發(fā)揮出最佳性能。大家在使用LMP91200進(jìn)行設(shè)計時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。