随着系统变得越来越以数据为中心@@，工业@@、物联网@@@@、家庭医疗可穿戴式@@、健身和健康方面的监控器正在@@经历爆炸性增长@@。这些以数据为中心的系统对更多功能和更低功耗的需求不断增加@@。该趋势由智能系统驱动@@，这些系统会主动监视一个人或@@环境@@，并做出预测性的响应@@，包括告警@@、动作或@@推荐的操作@@。响应的好坏取决于所提供@@的数据@@，这些系统需要通过单个传感器@@或@@无线传感器@@网@@络收集大量高精度数据的原因正在@@于此@@。
传感器@@应用设计工程师面临的挑战是需要占板面积最小化的传感器@@模块@@，同时保持高精度并延长电池@@寿命@@。为了解决这个挑战@@，有两种应对思维@@：一是最大化元器件和系统操作的能效@@ 比@@，一是投资研发新型低功耗架构@@。第一种方法致力于开发依靠电池@@工作更长时间并提供@@更高响应度和精度的系统@@，有望帮助设计人员在@@短期内实现其目标@@。
图@@1. 当前@@AI系统使用@@的设计如上面的传感器@@框图@@所示@@。
上面的图@@@@1显示了传感器@@应用的典型框图@@@@。解决方案的四个基本模块是系统电源@@@@、传感器@@、传感器@@信号放大和信号处理@@。选择合适的器件对于@@最大化传感器@@模块的电池@@寿命至@@关重要@@。下面我们仔细研究每个模块@@，看看可以做些什么来提高@@电源效率@@并提供@@更精确的测量@@。
传感器@@选择@@
第一个考虑是传感器@@@@。当今传感器@@模块中使用@@的传感器@@主要有两种类型@@：单端传感器@@和差分传感器@@@@。单端传感器@@包括用于血糖检测的电化学传感器@@@@、气体传感器@@和可穿戴医疗传感器@@@@。差分传感器@@通常@@使用@@仪器放大器@@@@，应用包括工业@@压力或@@力传感器@@@@、工业@@温度传感器@@@@、医疗应用中的线内空气@@(air-inline)和阻塞传感器@@等@@。这些在@@医用胰岛素泵和线内空气探测器中很常见@@。
更常见的传感器@@类型是电化学传感器@@@@。这些是低功耗传感器@@@@，包括血糖传感器@@@@，数以百万计的糖尿病患者使用@@这种传感器@@控制其血糖水平@@。其他应用包括气体传感器@@@@（例如二氧化碳@@(CO2) 传感器@@）、水质@@（电导率@@、pH值等@@）传感器@@、用于机油降解的酒精传感器@@以及检测爆炸物的传感器@@@@。
电化学传感器@@的大多数应用是便携式和电池@@供电应用@@。虽然家庭@@CO2传感器@@一般可正常使用@@五到七年@@，但大约每六个月至@@一年便可能需要更换新电池@@@@。为了延长电池@@寿命@@，制造商@@使用@@最新的低功耗器件@@，这些器件从电池@@消耗的电流@@量极小@@。
接下来我们仔细研究一种具体类型的电化学传感器@@@@——乙醇传感器@@@@，并了解其工作原理@@。
乙醇传感器@@@@工作原理@@
图@@1中使用@@的乙醇传感器@@@@是一个安培法气体传感器@@@@，其产生的电流@@与气体的体积分数成正比@@@@。它是一种三电极@@器件@@，乙醇在@@工作@@（或@@检测@@）电极@@(WE)上测量@@。对电极@@@@(CE)使电路完整@@，而参考电极@@@@(RE)在@@电解质中提供@@稳定的电化学电位@@，它不接触乙醇@@。对于@@SPEC传感器@@，将@@+600mV偏置电压施加于@@RE。
很多电化学传感器@@需要固定的偏置才能正常工作@@，这给电池@@寿命带来了额外的负担@@。现在@@我们考虑系统的电源要求@@@@。
电源要求@@
系统的功率预算及其电池@@容量最终决定了传感器@@的工作寿命@@。小尺寸电池@@供电解决方案的典型目标是使用@@单节@@@@1.5V电池@@。使用@@单节@@电池@@会降低容量@@，从而影响传感器@@的工作寿命@@。那么@@，可以采取什么措施来优化单节@@电池@@的工作寿命@@？
当充满电时@@，即在@@其寿命开始时@@，单节@@电池@@为@@1.5V。此电压随着时间推移而逐渐下降@@，在@@寿命结束时为@@0.9V。为了最大程度地延长单节@@电池@@的寿命@@，应用必须在@@@@0.9V至@@1.5V之间运行@@@@，才能获得最长的应用工作时间@@。由于其他系统器件以@@1.8V运行@@，因此@@必须选择一个@@DC-DC升压转换器@@，它应能最大程度地提高@@工作和待机电流效率@@，并能在@@@@0.9V至@@1.5V范围内运行@@@@。
拥有@@95%的高效率不是高效电源转换的唯一考虑因素@@。升压调节器还必须能够在@@宽电流范围内高效工作@@，从而降低静态电流@@ (IQ)和工作过程中的热量耗散@@。应用大部分时间处于待机模式@@， 因此@@升压转换器@@在@@轻载待机状态下必须具有高效率@@，以延长电池@@寿命@@。关断特性通过关闭部分电路将@@电流消耗降至@@@@nA级范围@@，这也能大幅降低功耗@@。
信号链解决方案@@
传感器@@产生的输出信号通常@@很微弱@@，只有几@@uV，而模数转换器需要@@V级的信号@@。因此@@，选择低功耗@@、高精度放大器@@是设计中第二重要的考虑因素@@。
低功耗放大器@@有两个重要方面@@——电流消耗和工作电压@@，因为许多传感器@@需要偏置电流以维持精度@@。这要求应用的传感器@@部分开启以保持准确的读数@@。此外@@，0.9V至@@1.5V的低工作电压支持单节@@电池@@供电@@，无需升压转换器@@@@。
通常@@，选择低功耗@@放大器@@的缺点是精度较低@@。但是@@，存在@@一些低功耗放大器@@@@，即使在@@低工作电流和电压下@@，它们也能保持很高的精度水平@@。精密@@放大器@@的一些特性包括@@：亚微伏@@(µV)输入失调电压@@、nV/°C级的电压漂移以及@@pA级的输入偏置电流@@。
低功耗微控制器与集成@@ADC相结合@@，可提供@@一种低功耗传感器@@解决方案@@，它能在@@最大化电池@@寿命的同时使应用保持小尺寸@@。
乙醇传感器@@@@解决方案的测量@@
除了器件级别的改进之外@@，还可以优化系统架构@@，在@@相同的精密@@测量水平下实现更低的功耗@@。为了证明这一点@@，我们将@@提供@@使用@@相似器件的乙醇传感器@@@@解决方案的两次实验测量@@，以及未来传感器@@解决方案的一次理论测量@@，后者显示出了节省电能的优点@@。
该实验使用@@下面列出的器件@@，对于@@乙醇电化学传感器@@测量@@，这些器件具有相同的占空比@@@@。
图@@2. 上图@@所示为传统的@@1.8V传感器@@系统解决方案@@。
1.8V系统解决方案使用@@单节@@电池@@供电@@，利用高效的升压转换器@@为乙醇传感器@@@@@@、运算放大器@@@@和带@@ADC的微处理器@@提供@@@@1.8V系统电源@@。0.1%活动的占空比@@由微控制器控制@@，微控制器唤醒后进行测量@@，然后又回到睡眠模式@@。
待机模式下的传感器@@利用升压转换器@@维持睡眠模式下传感器@@@@、运算放大器@@@@和微控制器的电源@@。在@@待机状态下@@，该系统消耗@@150.8µA的电流@@。在@@活动状态期间@@，微控制器唤醒并进行传感器@@测量@@。在@@活动状态下@@，该系统短时间消耗@@14mA。活动状态仅占@@0.1%的时间@@，经计算可知@@，活动和待机模式合并的平均电流为@@ 164µA，这是实际传感器@@应用的典型值@@。
1V放大器@@系统@@
图@@3. 上图@@所示为新一代@@1V放大器@@传感器@@解决方案@@。
在@@1V放大器@@解决方案中@@，SPEC乙醇传感器@@@@和@@MAX40108 1V运算放大器@@@@均直接连接到电池@@@@。这需要一个能以低至@@@@0.9V的电压工作@@、保持高精度水平并最大化单节@@电池@@使用@@寿命的放大器@@@@。
其余电路与为微控制器供电并支持@@1.8V电路的升压调节器类似@@。在@@这种配置中@@，电流大幅减少到@@81.9µA，降幅为@@45%；平均电流减少到@@95.7µ A，降幅为@@41.79%。结果@@，使用@@MAX40108 1V运算放大器@@@@的系统的电池@@寿命几乎是传统系统的两倍@@。
未来的@@1V信号链系统@@
图@@4. 上面的框图@@显示了未来的@@@@1V传感器@@系统解决方案@@。
在@@这个未来的@@@@1V信号链解决方案@@中@@，放大器@@、ADC和微控制器均以低至@@@@0.9V的电压工作@@，同时保持高精度水平@@。这使得整个信号链解决方案@@都可以由单节@@电池@@供电@@，从而无需升压转换器@@@@@@，传感器@@解决方案的电池@@寿命得以最大化@@。
结论@@
人们对更智能@@AI系统的需求在@@增长@@，因此@@对具有额外功能@@、更高精度和更长寿命的传感器@@的需求也随之增长@@。传感器@@必须提供@@小尺寸解决方案@@，既可以由人佩戴@@，也可以联网@@@@，从而确定一个人@@、生产车间@@、建筑物或@@城市的健康状况@@，使系统能够积极主动响应@@，而不是被动应对@@。更进一步@@，对于@@那些受益于新一代系统的人而言@@，主动响应可改善健康状况@@、降低成本@@、提高@@生产率并增强安全性@@。
在@@赋能@@AI系统的传感器@@网@@络中@@，创新正在@@许多不同的层面上发生@@。尤其是@@IC制造商@@，它们正在@@开发更低功耗的传感器@@构建模块@@，以帮助今天的工程师为明天创建更智慧@@、更高效的系统@@。
本文转载自@@： 亚德诺半导体微信公众号@@@@