在消費電子與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）領(lǐng)域，電化學(xué)氣體傳感器廣泛應(yīng)用于乙醇、一氧化碳（CO）等有害或可燃性氣體的檢測。然而，這類傳感器需持續(xù)偏置才能保持穩(wěn)定，傳統(tǒng)方案往往難以兼顧低功耗與快速響應(yīng)。Maxim Integrated（現(xiàn)為Analog Devices旗下）推出的MAX40108超低功耗、高精度運算放大器，為這一挑戰(zhàn)提供了理想解決方案。

電化學(xué)傳感器的功耗困境

電化學(xué)氣體傳感器通常為三電極結(jié)構(gòu)：工作電極（WE）、參比電極（RE）和對電極（CE）。其工作原理依賴于在WE施加精確偏置電壓（如0.7V），使目標(biāo)氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與濃度成正比的微弱電流信號。該電流經(jīng)跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換為電壓后，由MCU進行采樣分析。

關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，這些傳感器一旦斷電，重新上電后需要數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時才能恢復(fù)穩(wěn)定電化學(xué)狀態(tài)。因此，即使系統(tǒng)處于休眠模式，傳感器及其偏置電路也必須保持“常開”，導(dǎo)致靜態(tài)功耗成為設(shè)計瓶頸。尤其在使用單節(jié)AA/AAA電池（標(biāo)稱1.5V）的便攜設(shè)備中，電源電壓隨使用逐漸下降，要求前端電路能在低至0.9V下仍可靠工作。

MAX40108：專為低功耗傳感而生

MAX40108是一款專為儀器級應(yīng)用設(shè)計的零漂移、軌到軌輸入/輸出運算放大器，具備以下關(guān)鍵特性：

超低工作電壓：支持0.9V至3.6V寬電源范圍，可直接由單節(jié)堿性電池供電。

極低靜態(tài)電流：典型值僅25.5 μA，顯著降低長期偏置功耗。

高精度性能：典型輸入失調(diào)電壓漂移為1 μV/°C，確保長時間運行下的測量穩(wěn)定性。

小尺寸封裝：采用1.22 mm × 0.92 mm的8引腳WLP封裝，適合空間受限的可穿戴與便攜設(shè)備。

關(guān)斷模式：支持進一步降低功耗，適用于間歇性工作的系統(tǒng)。

典型應(yīng)用電路與性能驗證

如圖1所示，MAX40108可用于構(gòu)建完整的電化學(xué)傳感器前端。其中，第一顆運放（U1）為參比電極提供穩(wěn)定偏置，第二顆（U2）配置為跨導(dǎo)放大器，將傳感器電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。后續(xù)可配合MAX44260等放大器進行信號調(diào)理。

圖1.使用MAX40108的電化學(xué)傳感器的框圖

在乙醇傳感器（SPEC 3SP_Ethanol_1000）評估中，系統(tǒng)由1.5V AA電池供電。實驗通過將乙醇浸潤的棉簽置于傳感器前，模擬氣體暴露。結(jié)果顯示，傳感器能快速響應(yīng)氣體濃度變化（圖2），且當(dāng)棉簽遠離時，響應(yīng)幅度相應(yīng)減小（圖3），驗證了其靈敏度與線性度。

圖2.乙醇傳感器的性能

圖3.蒸氣遠離SPEC傳感器時乙醇傳感器的性能

值得注意的是，盡管整個系統(tǒng)（含MCU）工作電流約90 mA，但MAX40108本身僅消耗25.5 μA。MCU采用間歇喚醒策略（每10秒喚醒一次），在非測量期間最大限度降低功耗。

CO檢測應(yīng)用與安全考量

MAX40108同樣適用于CO檢測。實驗中，通過在密閉容器內(nèi)燃燒蠟燭生成CO氣體，并使用同一型號傳感器進行捕獲（圖4）。結(jié)果表明，該運放前端能有效檢測低濃度CO，為家用報警器、工業(yè)安全監(jiān)控等應(yīng)用提供可靠支持。

圖4.MAX40108 CO傳感器的性能

由于CO具有毒性，實驗需在通風(fēng)良好環(huán)境下進行，確保操作安全。

應(yīng)用前景與優(yōu)勢總結(jié)

MAX40108的推出，解決了低功耗氣體檢測系統(tǒng)中“持續(xù)偏置”與“電池壽命”的矛盾。其在0.9V下的穩(wěn)定工作能力，使設(shè)計者無需升壓電路即可直接利用電池供電，簡化了電源架構(gòu)。

該器件特別適用于：

便攜式酒精檢測儀

家用CO報警器

可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備

工業(yè)環(huán)境氣體監(jiān)控節(jié)點

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