CN0357

電気化学センサー測定回路の簡略図を図2に示します。電気化学センサーは、メンブランからセンサー内にガスを拡散させ、作用電極（WE）によってガスを検出します。センサーの基準電極（RE）はアンプU2-Aにフィードバックし、U2-Aは対電極（CE）の電位を変化させてWE端子を一定の電位に保ちます。WE端子における電流の方向は、センサー内で発生する反応が酸化か還元かによって決まります。一酸化炭素センサーの場合は酸化反応になります。したがって電流は作用電極に流れますが、そのためには、作用電極に対して対電極が負の電圧となる必要があります（通常は300～400 mV）。異なるタイプのセンサーでも動作するよう十分な余裕を確保するには、CE端子駆動用オペアンプの出力電圧範囲をVREFの約±1 Vとする必要があります（Alphasenseアプリケーション・ノートAN-105-03、Designing a Potentiostatic Circuit、Alphasense, Ltd.）。

WE端子への電流は、ガス濃度1 ppmあたり100 nAです。したがって、この電流を出力電圧に変換するには、入力バイアス電流が極めて低いトランスインピーダンス・アンプが必要です。ADA4528-2オペアンプは、室温における最大入力バイアス電流が220 pAのCMOS入力があるため、このアプリケーションに適しています。

ADR3412 はこの回路に疑似グラウンド・リファレンスを提供し、これによって単電源動作が可能になる一方で、無信号時消費電流が非常に少なくなります（最大100 μA）。

アンプU2-Aは、センサーのWE端子とRE端子の間の電位を0 Vに保つために、CE端子から十分な電流をシンクします。RE端子はアンプU2-Aの反転入力に接続しています。したがって、ここから電流が出たり入ったりすることはありません。つまり、電流はWE端子から入り、ガス濃度に比例して変化することを意味します。トランスインピーダンス・アンプU2-Bは、センサー電流をガス濃度に比例した電圧に変換します。

この回路用に選ばれたセンサーは、Alphasense CO-AX一酸化炭素センサーです。この種の汎用一酸化炭素センサーの標準的仕様を表1に示します。

警告：一酸化炭素は有毒で、濃度が250 ppmを超えると危険です。したがって、この回路のテスト時には細心の注意を払ってください。

トランスインピーダンス・アンプの出力電圧は次式で得られます。

ここでIWEはWE端子への電流、RFはトランスインピーダンス帰還抵抗です（図1ではAD5270-20 U3-Bレオスタット）。

CO-AXセンサーの最大応答は100 nA/ppmで、最大入力範囲は一酸化炭素濃度で2000 ppmです。これらの値から最大出力電流は200 μAとなり、最大出力電圧は式2に示すようにトランスインピーダンス抵抗によって決まります。

AD7790のVREFに1.2 Vの電圧を加えると、トランスインピーダンス・アンプU2-Bの出力における使用可能範囲を±1.2 Vとすることができます。トランスインピーダンス帰還抵抗に6.0 kΩの抵抗を使用すると、最大出力電圧は2.4 Vとなります。

一酸化炭素ppm濃度の関数としての回路出力電圧を式3に示します。ここでは、センサーの標準応答を65 nA/ppmとしています。

AD5270-20の公称抵抗値は20 kΩです。抵抗の位置は1024あるため、抵抗ステップ・サイズは19.5 Ωです。AD5270-20の抵抗温度係数は5 ppm/°Cで、大部分のディスクリート抵抗よりも優れています。また、電源電流は1 μAであるため、システム全体の消費電流にはほとんど影響しません。

抵抗R4はノイズ・ゲインを妥当なレベルに維持します。高濃度のガスにさらされる場合、ノイズ・ゲインの大きさとセンサーのセトリング時間誤差とのバランスを図って抵抗の値を決めます。式4に示す例ではR4＝33 Ωであり、ノイズ・ゲインは183となります。

トランスインピーダンス・アンプの入力ノイズは、ノイズ・ゲインにより増幅されて出力に現れます。この回路では、センサーの動作周波数が非常に低いため、問題となるのは低周波ノイズだけです。ADA4528-2には0.1 Hzから10 Hzの範囲で97 nV p-pの入力電圧ノイズがあります。したがって、式5に示すように出力におけるノイズは18 μV p-pです。

これは非常に低い周波数の1/fノイズなので、フィルタで除去するのは困難です。しかし、センサー応答も非常に遅いので、カットオフ周波数が0.16 Hzの、周波数が非常に低いローパス・フィルタ（R5とC6）を使用することができます。このような低周波フィルタでも、センサーの応答時間が30秒であることから、センサーの応答に与える影響は無視することができます。

システムのノイズフリー・コード分解能はピークtoピーク出力ノイズから得られます。ADA4528-2の最大出力は2.4 Vであるため、ノイズフリー・カウント数は次のようになります。

ノイズフリー・コード分解能は以下のとおりです。

使用可能な全ADC範囲（±1.2 V）を利用するために、AD8500マイクロパワー、レールtoレール入出力アンプを使用してAD7790の入力を駆動します。全範囲が必要ない場合はAD8500を使わず、代わりにAD7790の内蔵バッファを使用することができます。

電気化学センサーの重要な特性のひとつは、時定数が非常に長いことです。最初の電源投入時は、出力が最終的な値に落ち着くまでに数分間かかることがあります。濃度が中程度の対象ガス内にセンサーを置いた場合、センサー出力がその最終値の90%に達するまでに要する時間は、25秒から40秒程度に達することもあります。RE端子とWE端子の間の電圧の大きさが突然変化した場合は、センサーの出力電流が落ち着くまでに数分間かかります。この長い時定数は、センサーへの電源をオン／オフした場合にもあてはまります。スタートアップ時間が極端に長くなるのを避けるために、電源電圧がJFETのゲート／ソース閾値電圧（約2.0 V）未満に低下すると、PチャンネルJFET Q1がRE端子とWE端子を短絡します。