深入剖析LMP91000：适用于低功耗化学传感的可编程AFE

在电子工程领域，对于低功耗化学传感应用的需求日益增长。德州仪器（TI）推出的LMP91000可编程模拟前端（AFE），为这类应用提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解一下LMP91000这款产品。

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一、产品概述

LMP91000专为微功耗电化学传感应用而设计，可用于3 - 引脚单气体传感器和2 - 引脚原电池传感器。它能根据工作电极上的电流变化检测气体浓度的变化，并生成与电池电流成比例的输出电压。该器件的跨阻增益可通过I²C兼容接口在2.75 kΩ至350 kΩ之间进行编程，能轻松将电流范围从5 µA转换到750 µA满量程。此外，它还支持多种电化学传感器，优化了微功耗应用，工作电压范围为2.7 V至5.25 V，总电流消耗可小于10 µA。

二、产品特性

（一）电气特性

1. 电源电压与电流：电源电压范围为2.7 V至5.25 V，平均电源电流小于10 µA，在不同工作模式下电流消耗有所不同。例如，在3 - 引脚安培计电池模式下，典型电流为10 µA；在待机模式下，典型电流为6.5 µA。
2. 电极相关特性：电池调节电流高达10 mA，参考电极偏置电流（85°C）最大为900 pA，输出驱动电流为750 µA。
3. 增益与偏置：可编程跨阻放大器（TIA）增益为2.75 kΩ至350 kΩ，可变偏置电压可通过I²C接口编程为电源或外部参考电压的1%至24%（共14步），内部零电压可设置为电源或外部参考电压的67%、50%或20%。

（二）接口特性

I²C兼容数字接口，工作在标准模式（100 kHz）。输入高电压VIH为0.7 VDD（–40至80°C），输入低电压VIL为0.3 VDD（–40至80°C），输出低电压VOL在IOUT = 3 mA时为0.4 V。

（三）温度特性

环境工作温度范围为–40°C至85°C，嵌入式温度传感器可在气体浓度测量期间关闭以节省功率，温度测量通过I²C接口触发，输出信号为电压，可通过VOUT引脚读取。

三、功能模块详解

（一）恒电位仪电路

这是LMP91000的核心部分，由差分输入放大器、控制放大器（A1）和跨阻放大器组成。差分输入放大器比较工作电极和参考电极之间的电位与所需的工作偏置电位，误差信号经放大后施加到对电极，以保持工作电极和参考电极之间的恒定电压。跨阻放大器将工作电极的电流转换为成比例的输出电压。

（二）跨阻放大器（TIA）

具有7个可编程内部增益电阻，可适应大多数现有传感器的满量程范围，还可通过在C1和C2引脚之间连接外部增益电阻来调整增益。

（三）控制放大器（A1）

有两个主要任务：为传感器提供初始电荷和偏置电压。它能够驱动高达10 mA的电流进入传感器，以实现快速初始调节，并且可以根据连接的气体传感器进行电流吸收和源出。不过，不建议关闭A1，因为传感器从关闭状态恢复可能需要较长时间。

（四）可变偏置

为有偏置的气体传感器在参考电极和工作电极之间提供所需的偏置电压，偏置电压可通过I²C接口编程为电源或外部参考电压的1%至24%，偏置极性也可进行编程。

（五）内部零

是TIA同相引脚的电压，可通过I²C接口编程为电源或外部参考电压的67%、50%或20%，为传感器的对电极提供足够的摆动空间，并充分利用ADC的满量程输入范围。

（六）温度传感器

可在气体浓度测量期间关闭以节省功率，温度测量通过I²C接口触发，输出信号为电压，可通过VOUT引脚读取。其输出与温度之间的关系可以通过线性近似方法进行拟合。

四、应用场景

（一）化学物质识别

能够检测不同化学物质的浓度变化，实现化学物质的识别。

（二）安培计应用

在安培计测量中，提供精确的电流检测和转换功能。

（三）电化学血糖仪

可用于电化学血糖仪的设计，实现血糖浓度的准确测量。

五、设计要点

（一）电源设计

由于LMP91000用于便携式设备，电源设计至关重要。要确保电源电压稳定在2.7 V至5.25 V之间，以保证器件的正常工作。同时，要根据不同的工作模式合理安排电源，以降低功耗，延长电池寿命。

（二）布局设计

在布局时，要特别注意传感器与LMP91000的连接。RE、CE和WE走线应尽量短，并远离高频信号，如时钟信号。可以将LMP91000放置在气体传感器下方，以缩短走线长度。如果使用外部跨阻增益电阻，应将其靠近LMP91000放置，且连接到C1的电阻端子要远离高频信号。

（三）多器件连接

如果需要在I²C总线上连接多个LMP91000，可以使用MENB引脚来选择每个设备。将MENB连接到微控制器的专用GPIO端口，通过控制MENB的逻辑电平来启用或禁用I²C通信。

六、总结

LMP91000作为一款可编程模拟前端，在低功耗化学传感应用中具有出色的性能和丰富的功能。它的可编程性、低功耗特性以及对多种传感器的支持，使其成为化学传感领域的理想选择。在设计过程中，我们需要充分考虑电源、布局和多器件连接等方面的因素，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在实际应用中是否遇到过类似器件的使用问题呢？欢迎留言讨论。