Introduction aux capteurs de pont et à l'amplification différentielle

Les capteurs de pont, comme le pont Wheatstone, sont essentiels dans les systèmes de mesure industrielle et médicale pour détecter les changements mineurs de paramètres physiques tels que la tension, la pression, la force et la température. Ces capteurs convertissent un stimulus physique en une petite tension différentielle – souvent quelques millivolts – qui se superpose à une tension de mode commun plus grande. L'extraction de ce signal faible nécessite un amplificateur différentiel avec un taux de rejet de mode commun élevé (CMRR), un faible bruit et un gain précis.

Comment les capteurs de ponts produisent des signaux différentiels

Un pont typique de Wheatstone se compose de quatre bras résistifs. Lorsque le pont est équilibré, c'est-à-dire lorsque le rapport de résistances en une moitié est égal à l'autre, la différence de tension entre les deux points médians est nulle. Sous l'influence d'une variable mesurée (p. ex., la contrainte entraînant un changement de résistance dans un ou plusieurs bras), le pont devient déséquilibré et produit une tension différentielle de sortie directement proportionnelle au stimulus appliqué. Ce signal différentiel se situe généralement dans la gamme microvolt à millivolt, tandis que la tension en mode commun (la moyenne des deux sorties) peut être plusieurs volts, en particulier dans les configurations à alimentation unique ou lorsque le pont est excité par une tension DC. L'objectif principal de l'amplificateur différentiel est d'amplifier uniquement la différence entre les sorties des deux capteurs tout en rejetant la composante en mode commun.

Topologie de l'amplificateur différentiel de base utilisant un ampli Op

Pour le calcul de la valeur de sortie, on peut calculer la valeur de sortie de la sortie de la sortie de la sortie de la sortie de la sortie de la sortie de la sortie de la sortie de la sortie de sortie de la sortie de sortie de la sortie de sortie de la sortie de sortie de sortie de la sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de sortie de

Détails de mise en œuvre du circuit

Il est fortement recommandé de relier chaque sortie de capteur aux entrées non inversées et inversées à travers les résistances d'entrée respectives (R1 et R[3. La résistance de rétroaction (R2) se connecte de la sortie d'ampli op à l'entrée inversée, tandis que R[4 relie l'entrée non inversée au sol (ou à une tension de référence dans les conceptions d'alimentation simple).

Exigences de performance clés pour les amplificateurs de détecteurs de pont

Accroître et enfoncement

Pour les applications à haute précision, utiliser des résistances avec TC inférieures à 25 ppm/°C et des amplis avec GBW au moins dix fois la fréquence maximale du signal pour éviter le déplacement de phase et obtenir un pic.

Taux de rejet à modes courants (RMRC)

Pour les capteurs de pont à haut niveau de mode commun (ex. : excitation 5 V, excitation 2,5 V, mode commun), CMRR doit dépasser 100 dB. Le CMRR d'un amplificateur différentiel d'ampli unique est principalement limité par un mauvais ajustement de résistance. Même avec des résistances parfaitement assorties, le CMRR op amps devient un facteur à haute fréquence. L'utilisation d'ampli op avec CMRR > 120 dB (p. ex. AD8628, OPA2188) est conseillée.

Débit d'entrée et tension de hors-réglage

Les sorties du capteur de pont ont souvent une impédance élevée (plusieurs k.). Les courants de biais d'entrée qui traversent les résistances créent des chutes de tension qui apparaissent comme des erreurs de décalage différentiel. Sélectionnez des amplis d'op à entrée CMOS ou FET avec des courants de biais inférieurs à 10 p.A pour minimiser cet effet. De plus, la basse tension de décalage d'entrée (Vos) et la dérive à faible décalage sont cruciales pour éviter de corrompre le petit signal du capteur.

Performance sonore

Pour les capteurs de pont, le bruit de basse fréquence (1/f) et le bruit à large bande, les deux matières. Choisissez des amplis op avec une faible densité de bruit de basse tension (par exemple, 10 nV/ √Hz à 1 kHz) et configurez le circuit pour minimiser le bruit thermique de résistance (maintenez les valeurs de résistance aussi bas que possible sans surcharger le capteur).

Guide pratique de sélection des composants

  • Op Amp: Recherchez des dispositifs à faible décalage, faible dérive, à haute CMRR et à faible biais. Exemples : OPA189 (à dérive zéro), ADA4077 (à bipolaire de précision), LTC2057 (à dérive zéro).
  • Résistants: Utilisez des résistances de précision de film métallique avec une tolérance ≤ 0,1% et TC ≤ 25 ppm/°C. Les tableaux de résistance à film mince (p. ex. LT5400) offrent une excellente correspondance et un suivi.
  • Capacitateurs: Placez 10 nF à 100 nF condensateurs de contournement près des goupilles d'alimentation en ampli op. Utilisez des types de céramique à faible ESR (X7R ou NP0).
  • Connecteurs et câbles: Les câbles à paires torsadées blindées réduisent la prise. Utilisez le routage différentiel sur PCB pour préserver l'intégrité du signal.

Procédure de conception étape par étape

1. Définir les spécifications du système

Déterminer la sortie à grande échelle du capteur (p. ex. 20 mV pour une excitation de 2,5 V), la plage de tension de sortie requise (p. ex. 0–5 V pour un ADC) et la bande passante. Calculer le gain nécessaire : Gain = Vout(max) / Vin(diff max).

2. Sélectionnez Op Amp et Résistants

En fonction des exigences en matière de bruit, de bande passante et de précision, choisissez un ampli op. Sélectionnez des valeurs de résistance telles que R1[ et R[3 soient égales et R[2 et R[4 soient égales. Un choix commun est R[1 = 10 k), R2 = 100 k. Pour un gain de 10, assurez-vous que les valeurs de résistance sont suffisamment basses pour minimiser le bruit de Johnson mais pas si basses qu'elles chargent le capteur (l'impédance de sortie du capteur devrait être beaucoup plus petite que R]1].

3. Simuler le circuit

Utilisez la simulation SPICE (p. ex. LTSpice, TINA-TI) pour vérifier le gain, le CMRR et la réponse de fréquence. Inclure les macromodèles d'amplificateurs op et les effets de tolérance à la résistance.

4. Mise en page et prototypage

Sur le PCB, gardez la boucle de rétroaction courte et symétrique. Utilisez un plan de terre. Placez l'ampli op près du capteur pour réduire la longueur de la trace. Séparez les bases analogiques et numériques si un ADC est sur la même carte. Pour un prototypage rapide, utilisez une table à pain bien construite avec des fils courts de saut, mais soyez conscient que la capacité parasitaire peut causer des oscillations.

5. Étalonnage et essais

Appliquer les tensions différentielles connues (en utilisant une source de tension de précision) et mesurer la sortie. Ajuster le gain en finissant R2 si nécessaire. Mesurer CMRR en appliquant la même tension de mode commun aux deux entrées et en observant le changement de sortie. Étalonner tout décalage résiduel en ajoutant une petite tension de compensation à la broche de référence.

Optimisation du rejet des modes courants

Pour chaque défaut de 0,1 %, le CMRR se dégrade d'environ 54 dB par rapport à l'idéal. Pour atteindre le CMRR au-dessus de 100 dB, les résistances doivent correspondre à 0,01 % ou mieux. Une façon pratique d'améliorer le CMRR sans résistances ultra-précisions est d'utiliser une configuration d'amplificateur d'instrumentation à trois op-amp (INA), qui fournit une impédance élevée d'entrée et un rejet en mode commun, principalement définie par les amplis op.

Solutions de rechange avancées : amplificateurs d'instrumentation

Pour les applications exigeantes des capteurs de pont, l'amplificateur à trois ampères (par exemple, utilisant un INA826, AD8221, ou une implémentation discrète avec trois ampères de précision) offre des performances supérieures :

  • Imbédance élevée d'entrée:[ Les deux tampons d'entrée présentent une impédance élevée pour le capteur, minimisant les erreurs de chargement.
  • La CMRR élevée: CMRR > 120 dB est réalisable, même avec une résistance modérée.
  • Programmation de gain de résistance unique:[ Gain est réglé par une résistance externe, simplifiant la conception et l'étalonnage.

Cependant, une mise en œuvre discrète avec trois amplis op coûte plus d'espace et de puissance. Pour de nombreuses applications, un amplificateur d'instrumentation entièrement intégré IC est le meilleur choix.

Stratégies d'atténuation du bruit

Le bruit électrique peut facilement écraser un petit signal de capteur de pont.

  • Cable à paires pivotantes : Connectez le bouclier au sol du capteur ou au sol analogique de l'amplificateur (pas au sol de puissance).
  • Filtre passe-bas:[ Ajouter un filtre RC de première commande (par exemple, résistance 1 k.. et condensateur 100 n.F.) à la sortie de l'amplificateur pour limiter la bande passante et réduire le bruit à large bande.
  • Découplage de l'alimentation:[ Utiliser 10 μF tantale plus 100 nF céramique sur chaque rail d'alimentation, placé le plus près possible des goupilles d'ampli op.
  • Grounding: Utilisez un plan sol ou un plan sol solide. Évitez les boucles de sol en routant le capteur.

Techniques d'étalonnage pour amplificateurs de détecteurs de ponts

Même avec des composants de précision, il existe des erreurs de décalage et de gain. L'étalonnage peut être effectué dans le matériel ou le logiciel:

Coupe Offset Hardware

Ajouter un potentiomètre (par exemple 10 k) entre l'entrée non inversée et une référence de tension pour annuler le décalage de sortie. Utilisez aussi un potentiomètre numérique pour l'étalonnage à distance ou automatisé.

Gagner le trim

Une petite résistance de garniture en série avec R1 ou R[2 peut régler le gain.

Calibration des logiciels

Si la sortie de l'amplificateur est alimentée à un CDA, l'étalonnage peut être effectué numériquement en mesurant une entrée zéro connue et une entrée de référence connue. Cette approche est flexible et élimine le besoin de composants de garniture analogique.

Considérations relatives à l'alimentation électrique

Les capteurs de pont fonctionnent souvent à partir d'une seule tension d'alimentation (p. ex. 3,3 V ou 5 V). Les amplis d'alimentation doivent avoir une entrée et une sortie rail-rail pour gérer les tensions de mode commun près des rails. Pour les conceptions d'alimentation unique, raccorder la résistance d'alimentation non inversée (R4 à une tension de référence de l'alimentation moyenne (p. ex. 2,5 V) au lieu du sol. Cette tension de référence déplacera la sortie vers le centre de la plage d'alimentation, permettant d'amplification des signaux différentiels positifs et négatifs.

Stabilité de la température et compensation de la dérive

Les changements de température affectent les valeurs de compensation, de gain et de résistance de l'ampli op.

  • Utilisez des amplis op avec une dérive à bas décalage (p. ex., des types à zéro à dérive comme OPA189).
  • Choisissez des résistances à faible TC et assurez-vous qu'elles sont placées ensemble sur le PCB pour réduire les gradients thermiques.
  • Appliquer une petite quantité d'analyse auto-échauffante résistive – les résistances de haute puissance peuvent chauffer et créer de la dérive.
  • Envisagez d'utiliser un réseau de résistance à film mince avec des chauffages intégrés pour des applications critiques.

Exemples d'applications dans le monde réel

Conditionnement du signal du capteur de pression

Un capteur de pression piézorésitif en silicium avec excitation 5 V produit une sortie différentielle à l'échelle complète d'environ 25 mV. En utilisant un amplificateur différentiel mono-op avec gain de 200 (R1=1 k.2=200 k.], le signal est amplifie à 5 V, adapté à un CDA de 10 bits. La tension en mode commun est de 2,5 V. Avec une résistance appropriée (0,1%), CMRR est d'environ 80 dB, suffisant pour la plupart des applications.

Système de pesage des cellules de charge

Pour une excitation de 5 V, la puissance totale est de 5 à 15 mV. Un amplificateur d'instrumentation avec un gain de 330 donne une puissance de 0 à 5 V. Le CMRR élevé (>110 dB) rejette le bruit de la ligne de puissance de 50/60 Hz, qui est essentiel pour une mesure précise du poids.

Amplificateur de jauge de souche pour la surveillance structurelle

Dans la surveillance basse fréquence, le bruit 1/f domine. L'utilisation d'un ampli op à dérive zéro (par exemple LTC2057) réduit le bruit basse fréquence aux niveaux de sous-micro-wolt. L'amplificateur différentiel peut être configuré avec un gain de 10000, mais il faut une mise en page et un filtrage minutieux pour éviter l'oscillation.

Pièges et dépannage courants

  • Oscillation:[ Cause par charge capacitive au chemin de sortie ou de rétroaction. Ajouter une petite résistance (par exemple 50 ↓) en série avec la sortie et/ou un condensateur de rétroaction (quelques pF) pour compenser.
  • Offset trop grand: Vérifiez les joints de soudure, le chemin du courant de biais d'entrée (assurez que les deux entrées voient une résistance égale au DC au sol).
  • Poor CMRR:[ Vérifier la résistance avec un multimètre numérique. Utilisez une mesure Kelvin à 4 fils pour la précision.
  • Pompe de bruit:[ Examiner les câbles, les boucles au sol et la proximité des alimentations de commutation.

Conclusion

Pour une meilleure qualité de la CMRR et une programmation plus facile, un amplificateur d'instrumentation à trois amplificateurs ou un INA intégré est préféré. En abordant systématiquement la précision des gains, le CMRR, le bruit et la dérive de température, les ingénieurs peuvent créer une chaîne robuste de conditionnement des signaux qui reproduit fidèlement la sortie du capteur. Avec les conseils fournis dans cet article – encombrant les étapes de conception, les compromis et les conseils pratiques – les lecteurs peuvent mettre en œuvre avec confiance des amplificateurs différentiels pour les capteurs de ponts dans des applications allant du contrôle industriel aux diagnostics médicaux.

Pour plus de détails sur les critères de sélection des amplis op, voir Dispositifs de l'analogue.Pour une compréhension plus approfondie de la théorie des ponts de Wheatstone, voir [Texas Instruments] ]]]][F.[FLT:[FLT: