Comprender la cadena de señal del sensor piezoeléctrico

Los sensores piezoeléctricos convierten la deformación mecánica en una carga eléctrica mediante el estrés aplicado a materiales cristalinos o cerámicos. Estos transductores son inherentemente dispositivos de carga de alta potencia con una capacidad de muy pequeña fuente – a menudo unos pocos cientos de picofarads. La señal generada puede variar de microvoltios a cientos de luminarias dependiendo de la cepa, pero siempre requiere un circuito de terminación de cabina que no carga el elemento y amplifica fielmente

El sensor de alta resistencia puede ser modelado como una fuente de tensión en serie con su capacidad de respuesta interna, o como una combinación paralela de una fuente de carga y esa capacitancia. Ambas representaciones muestran que el contenido de señal de baja frecuencia se pierde si una entrada de baja resistencia aumenta el elemento.

Otro aspecto a menudo demasiado visto es el efecto de la capacitancia del cable en la respuesta global del sistema. Incluso un cable coaxial corto puede añadir decenas de picofarads, desplazando la frecuencia de la esquina y reduciendo la amplitud de la señal en configuraciones de movimiento de tensión. En sistemas multicanal, longitudes de cable descompuestas causan variaciones que complican la calibración.

Topologías amplificadoras para sensores piezoeléctricos

Amplificadores de tensión: Simple pero Cable-Dependent

Un amplificador de tensión configurado como un amortiguador de alta potencia no invertido puede amplificar el voltaje de salida abierto del sensor. Este enfoque requiere una corriente de sesgo de entrada lo suficientemente baja como para evitar la caída de tensión en la impedancia de alta fuente, que manda un divisor de tensión de alta potencia o electrometro.

Al utilizar un amplificador de tensión, la capacitancia de entrada del propio op‐amp debe ser manejada cuidadosamente. Muchos amplificadores de entrada FET exhiben 10 a 20 pF de capacitancia de entrada diferencial, que añade directamente al sensor y la capacitancia de cable. Esto no sólo reduce la amplitud de señal general, sino que también introduce un polo que puede limitar el ancho de banda inaceptable.

Amplificadores de carga: El caballo de trabajo para la señalización Piezoeléctrica

El sensor de carga generada por cable, por medio de un sensor de potencia, es un sensor de potencia que se puede utilizar para la función de transferencia.

Para proporcionar un punto operativo DC y limitar la deriva de baja frecuencia, un resistor de retroalimentación Rf[FLT] se coloca en paralelo con Cf. Esta resistencia crea una respuesta de alto paso con una frecuencia de esquina fhp

Es importante notar que el amplificador de carga es un amplificador de transimedancia en el sentido más verdadero – convierte la carga (actualmente integrada a través del tiempo) a un voltaje. El capacitor de retroalimentación integra la corriente de entrada, y el voltaje de salida representa la carga total. Esta integración hace que el amplificador de carga inherentemente sensible a las corrientes de fuga de DC, por lo que el resistor de retroceso

Especificaciones de amplificador crítico para la estabilidad de alta ganancia

El factor de entrada de alta tensión debe ser de primera importancia: una corriente de sesgo de 1 pA que fluye a través de un resistor de retroalimentación de 1 GΩ produce un desplazamiento de salida de 1 mV, que puede ser aceptable, pero una mayor fuga puede saturar el amplificador a alta ganancia.

La ganancia de apertura y ganancia de ancho de banda dictan cuánto ganancia de cierre está disponible mientras mantiene la precisión. Un amplificador de carga típico con un condensador de retroalimentación de 100 pF y una capacitancia sensor de 1 nF requiere un aumento de lazo lo suficientemente grande a la mayor frecuencia de interés para mantener el terreno virtual. La unidad de la unidad de la ganancia de la unidad conduce a la inexactitud y la posible inestabilidad.

Más allá de estos parámetros, la relación de rechazo de movimiento común (CMRR) y la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) se vuelven críticos en entornos industriales ruidosos. Un amplificador de carga con CMRR pobre puede amplificar inadvertidamente hum o interferencia RF acoplado al cable de señal.

Técnicas de análisis de estabilidad y compensación

La capacidad de respuesta de la alta ganancia no está garantizada automáticamente.La red de retroalimentación de la retroalimentación de la red de Cf y la Rf crea un par de polos que interactúa con la función de transferencia de la fase abierta de la operación.

El resultado de la salida de la compensación requiere un cálculo. Una regla inicial del pulgar es elegir un valor que coloca el cero a una frecuencia ligeramente por debajo de la intersección de la ganancia de ruido y la curva de ganancia abierta. A menudo Ccomp en el orden de unos pocos picofarads unidad hasta 20 pF funciona bien, pero debe ser verificada experimentalmente debido a capacitancias de desplazamiento

Para los diseños de alta ganancia (ambos 80 dB), un amplificador de carga de dos etapas puede ser necesario. La primera etapa proporciona ganancia moderada con un condensador de retroalimentación grande para limitar el aumento de ruido, mientras que la segunda etapa proporciona aumento de tensión adicional. Esta topología puede mejorar la relación de señal a ruido general porque el ruido de salida de la primera etapa está dominado por su propio Cf[FLT

Gestión de ruido en amplificadores piezoeléctricos

El ruido de la entrada es más bajo, y el sonido de la entrada de alta ganancia es más alto[LT].El ruido de la pantalla es muy bajo.

Elegir un resistor de retroalimentación con un ruido de baja frecuencia es importante. Los resistores de metal o de fina carga son preferidos por tipos de cocción de carbono. Mientras que el ruido de resistencia de retroalimentación se desplaza normalmente por el condensador de retroalimentación más allá de la esquina alta, cualquier ruido dentro de la banda de interés se añade directamente a la salida.

El análisis de ruido de la fuente de sonido se realiza en tres pasos. En segundo lugar, calcular la contribución de la resistencia a la retroalimentación: la densidad de ruido térmico es √(4 k T Rf[FLT], y es de alta velocidad filtrada por Cf[LT]

Selección de componentes y ejemplo de diseño de paso a paso

[LT] [LT] [FLT] [4]]

El bifenilo de retroalimentación es un punto corto de frecuencia baja. Para un punto 0,5 Hz –10%, Rf = 1/(2π·0.5 Hz·250 pF) Ω 1.27 GΩ. Un resistor de 1 GΩ o 1.5 GΩ es práctico; el valor exacto se puede recortar digitalmente o tolerar si el ángulo exacto no es de valor crítico

La ganancia de ruido para un amplificador de carga es 1 + Ctotal/Cf, donde C total gana

El acelerómetro de alta frecuencia puede ser de alta frecuencia para un sistema de monitoreo de salud estructural que funciona de 10 Hz a 100 kHz. El acelerómetro tiene una capacidad de 300 pF y sensibilidad de 10 pC/g. Para lograr una salida de 100 mV/g, Cf

PCB Diseño y Escudo Mejores Prácticas

El nodo de entrada (planta virtual del amplificador de carga) es el punto más sensible del tablero. Debe estar rodeado por un anillo de guardia conectado a una referencia de baja impedancia que rastrea el voltaje de entrada para evitar las corrientes de fuga. Incluso la ligera contaminación de residuos de flujo o humedad puede causar fugas de nivel nA

El sensor de salida y resistencia se debe colocar tan cerca de las entradas de op-amp como sea posible, con muy breves trazas para reducir la condensación parasitaria y la inductancia. El plano terrestre debe ser continuo bajo el amplificador pero cortado bajo los nodos de alta impedancia para que el anillo de guardia pueda succionar correctamente las fugas.

En una tabla multicapa, asigne las capas internas a planos de tierra y asegure que ninguna señal digital o rastros de potencia de conmutación funcionen cerca del nodo de entrada analógico. Si es posible, utilice una área de tierra analógica dedicada que se conecta al suelo principal en un solo punto. Este enfoque basado en estrellas evita las corrientes de tierra de los circuitos digitales de las diferencias de tensión que se combinan con el amplificador de carga.

Pruebas, Tuning y Verificación de Rendimiento

Después del montaje, prueba la estabilidad y el rendimiento del amplificador con un plan de prueba sistemático. Comience por verificar los voltajes de suministro y comprobar cualquier compensación de DC no intencionada en la salida que pueda indicar la oscilación o una entrada dañada. Luego inyecte una señal de carga conocida. Esto se puede hacer con un pequeño condensador calibrado en serie con un generador de función: un paso de 1 V a un condensador de 10 pF ofrece una carga de 10 pC

La respuesta de la frecuencia puede medirse con un analizador de red o barrendo la onda sine mientras se observa la amplitud de salida. Confirme la frecuencia de corte bajo –3 dB coincide con la Rf ]·Cf constante de tiempo, y que la ganancia de banda paso es plana.

Para una verificación completa, mida la linealidad del amplificador aplicando una serie de cargos conocidos y trazando la salida. La distorsión debe estar por debajo –80 dB para mediciones de alta calidad. Utilice una fuente de onda sine de baja distorsión (por ejemplo, Audio Precision) y un analizador de espectro para conectar productos armónicos. Si el sensor está disponible, monte en un agitador de referencia calibrado

Técnicas avanzadas para aplicaciones de demanda

Guardar y botstar

Cuando el sensor y la capacitancia del cable se vuelven grandes, aumenta el ruido y aumenta el ruido de salida. Una técnica de arranque puede mitigar esto mediante la conducción del escudo del cable con un amplificador de buffer cuya entrada es el voltaje en la entrada de inversión (caliente virtual). Esto reduce la capacitancia del cable efectiva vista por el amplificador de carga, disminuyendo el aumento del ruido. Sin embargo, el arranque debe ser cuidadosamente compensado para evitar la inestabilidad.

Un amplificador de carga de arranque práctico utiliza un segundo op‐amp como un amortiguador de unidad que conduce el escudo del cable de entrada. La salida del amortiguador es una réplica de baja potencia del voltaje de entrada invertido, que obliga al escudo del cable a rastrear el conductor de señal. La corriente resultante a través de la capacitancia del escudo es casi cero, eliminando efectivamente la capacitancia del cable del nodo de entrada.

Amplificadores compuestos para ancho de banda extendido

Cuando un solo op‐amp no puede entregar el ancho de banda requerido mientras mantiene la estabilidad, un amplificador compuesto empareja un dispositivo rápido y de banda ancha con un dispositivo portátil de precisión. En una configuración de amplificador de carga, una etapa compuesta puede proporcionar tanto la alta impedancia de entrada / baja corriente de biseles de un oper-amp y el ancho de banda de alta ganancia de un amplificador de alta velocidad moderno

Una aplicación común utiliza un dispositivo JFET (por ejemplo, OPA827) como la primera etapa en una configuración de transimpresión, con su salida alimenta un amplificador de tensión de banda ancha (por ejemplo, THS3062).El condensador de retroalimentación total C]f] se conecta con la salida del amplificador rápido de nuevo a la entrada de resistencia del camino JF

Técnicas de Capacitor conmutadas para frecuencias muy bajas

Para aplicaciones como geofonías o monitorización sísmica donde las señales se extienden a 0.01 Hz, la resistencia de retroalimentación requerida se vuelve impractamente grande (rango de alfahm).Un resistor de capacidad conmutado (SCR) puede simular una resistencia muy alta cargando y descargando un pequeño condensador a una frecuencia fija.

Compensación y Filtro Digital

En sistemas modernos, algunos de los costos de compensación analógica pueden transferirse al dominio digital. Después de la digitalización, las no-idealidades de carga de la banda de alta velocidad pueden evitar el gran sensor de resistencia a la velocidad (FLT:0) y C) pueden ser corregidos con un filtro digital.

Integración final y Robustness en el mundo real

Una vez que el amplificador cumple con las especificaciones eléctricas, debe integrarse en el sistema más grande. Asegúrese de que el recinto proporciona protección física y blindaje eléctrico. Use juntas RF-tight si el entorno contiene campos electromagnéticos fuertes. El búfer de salida debe ser capaz de conducir la impedancia de entrada del sistema de adquisición de datos sin carga. Si las señales deben viajar a largas distancias, se puede añadir un campo de salida diferencial

El sensor de temperatura de la caja de alta calidad (FLT:0) debe ser un tipo C0G (NP0) con un coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C. La resistencia a la retroalimentación Rf met] puede derivar con temperatura; los dioptidos de carga de espesor tienen coeficiente de temperatura alrededor de ±200

Por último, documentar el procedimiento de calibración: aplicar una excitación mecánica conocida al sensor, registrar la salida amplificador, y obtener un valor de sensibilidad que incluye toda la cadena de señal. Esta calibración de magnitud final asegura que todas las variaciones de ganancia – de tolerancia amplificador a cableado – se contabilizan, entregando precisión trazable. Para sistemas multicanal, calibrar cada canal individualmente y almacenar los muelles de la opción no voltuosa