低功耗有毒气体探测器设计
图2. 使用电化学传感器的便携式气体探测器
在三电极电化学传感器中，目标气体扩散到传感器，通过一层薄膜后作用于工作电极(WE)。恒电位电路检测参考电极(RE)的电压，并向辅助电极(CE)提供电流，使RE端与WE端之间的电压保持恒定。RE端没有电流流进或流出，因此流出CE端的电流流进WE端，该电流与目标气体浓度成正比。流过WE端的电流可能是正值，也可能是负值，具体取决于传感器中发生的是还原反应还是氧化反应。对于一氧化碳，发生氧化时，CE端电流为负值（电流流入恒电位运算放大器的输出端）。电阻R4通常非常小，因此WE端的电压约等于VREF.
流入WE端的电流会导致U2-A的输出端产生相对于WE端的负电压。对于一氧化碳传感器，此电压通常为数百毫伏，但对于其它类型的传感器，此电压可能高达1 V。为采用单电源供电，微功耗基准电压源 ADR291(U1)将整个电路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗仅12 μA；它还能提供基准电压，以使模数转换器可对此电路的输出进行数字化处理。
跨导放大器的输出电压为：
其中：
IWE 为流入WE端的电流。
Rf 为跨导电阻（在图2中显示为U4）。
传感器的最大响应为90 nA/ppm，如表2所示，其最大输入范围为2,000 ppm。因此，最大输出电流为180 μA，最大输出电压由跨导电阻决定，如公式2所示。
针对不同气体或来自不同制造商的传感器具有不同的电流输出范围。如果U4使用可编程变阻器AD5271，而不是固定电阻，就可以针对不同的气体传感器采用相同的结构和材料。此外，这样的产品还支持调换传感器，因为微控制器可以针对不同的气体传感器，将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271的温度系数为5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为1 μA，对系统功耗的影响极小。
采用5 V单电源供电时，根据公式1可知，跨导放大器U2-B的输出范围为2.5 V。如果将AD5271设置为12.5 kΩ，就可以利用传感器最差灵敏度情况下的范围，并能提供大约10%的超量程能力。
使用65 nA/ppm的典型传感器响应，可以通过下式将输出电压转换为一氧化碳的ppm：
采用差分输入ADC时，只需将2.5 V基准电压输出端连接到ADC的AIN-端，从而消除公式3中的2.5 V项。
电阻R4使跨导放大器的噪声增益保持在合理水平。R4的值需权衡两个因素：噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传感器的建立时间误差。对于本电路，R4 = 33 Ω，由此可计算噪声增益等于380，如公式4所示。
跨导放大器的输入噪声应乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为2.95 μV p-p，因此输出端的噪声为：
该输出噪声相当于1.3 ppm p-p以上的气体浓度，这种低频噪声难以滤除。幸好传感器响应非常慢，因此由R5和C6构成的低通滤波器可以具有0.16 Hz的截止频率。此滤波器的时间常数为1秒，与传感器的30秒响应时间相比可忽略不计。
Q1为P沟道JFET。电路启动时，栅极电压为VCC，晶体管断开。系统关断时，栅极电压降至0 V，JFET开启，使RE端和WE端保持相同的电位。当电路再次启动时，这可以大大改善传感器的开启建立时间。
该电路由两节AAA电池供电。使用二极管提供反向电压保护会浪费宝贵的电能，因此本电路使用P沟道MOSFET(Q2)。该MOSFET通过阻塞反向电压来保护电路，施加正电压时导通。MOSFET的导通电阻小于100 mΩ，因此它引起的压降远小于二极管。除AAA电池以外，降压-升压调节器ADP2503还允许使用最高5.5 V的外部电源。在省电模式下工作时，ADP2503的功耗仅38 μA。由L2、C12和C13构成的滤波器可消除模拟电源轨产生的任何开关噪声。连接外部电源时，该仪表不是通过一个电路来断开电池，而是利用一个插孔以机械方式断开电池，从而避免电能浪费。
使用AAA电池时，正常情况（未检测到气体）下的总功耗约为100 μA，最差情况（检测到2,000 ppm CO）下的总功耗约为428 μA。如果该仪表与一个微控制器相连，在不进行测量时可进入低功耗待机模式，则电池寿命可达1年以上。
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