ब्रिज सर्किट को समझना

ब्रिज सर्किट उच्च परिशुद्धता के साथ अज्ञात प्रतिबाधा को मापने के लिए विद्युत इंजीनियरिंग में मूलभूत उपकरण हैं। क्लासिक गेस्टस्टोन पुल, जिसमें हीरे के विन्यास में व्यवस्थित चार प्रतिरोधी हथियार शामिल हैं, सबसे आम स्थलीय जीवविज्ञान बनी हुई है। जब पुल संतुलित होता है, तो दो मध्य बिंदुओं के बीच वोल्टेज शून्य होता है, जिसका अर्थ है एक तरफ दो प्रतिरोधकों का अनुपात दूसरे पर अनुपात के बराबर होता है। यह स्थिति अज्ञात प्रतिरोध को ज्ञात मूल्यों से प्राप्त करने की अनुमति देती है। हालांकि, कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, पुल जानबूझकर एक असंतुलित राज्य में संचालित होता है, जहां मापा मात्रा में परिवर्तन के लिए आनुपातिक वोल्टेज का उत्पादन होता है - हालांकि यह तनाव, तापमान, दबाव या विस्थापन होता है।

अन्य पुल प्रकारों में शामिल हैं मैक्सवेल, हे, और शेरिंग पुलों को शामिल करने के लिए माप शामिल हैं, साथ ही साथ कम प्रतिरोध माप के लिए केल्विन डबल पुल। विशिष्ट स्थलाकृति के बावजूद, सभी पुल सर्किट एक आम चुनौती साझा करते हैं: अंतर आउटपुट वोल्टेज अक्सर बहुत छोटा होता है, मिलीवोल्ट्स या माइक्रोवोल्ट्स के क्रम में, और आम तौर पर एक बड़े सामान्य मोड वोल्टेज पर सुपरइम्पोज किया जाता है। इस संकेत को निकालने के लिए एक उच्च प्रदर्शन अंतर एम्पलीफायर की आवश्यकता होती है।

सक्रिय भिन्नात्मक एम्पलीफायरों की भूमिका

सक्रिय अंतर एम्पलीफायर, जो परिचालन एम्पलीफायरों (ऑप-एम्प्स) के आसपास निर्मित होते हैं, विशेष रूप से दो इनपुट संकेतों के बीच अंतर को बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जबकि दोनों इनपुटों के लिए किसी भी वोल्टेज को सामान्य रूप से अस्वीकार करते हैं। इस संपत्ति को आम मोड अस्वीकृति के रूप में जाना जाता है, पुल माप में आवश्यक है क्योंकि पुल उत्तेजना वोल्टेज (जैसे 5 वी या 10 वी) एम्पलीफायर इनपुट पर एक सामान्य मोड संकेत के रूप में दिखाई देता है। पर्याप्त अस्वीकृति के बिना, आम मोड संकेत एम्पलीफायर को संतृप्त करेगा या ब्याज के छोटे अंतर संकेत को बाहर निकाल देगा।

परिचालन एम्पलीफायर फंडामेंटल

एक अंतर एम्पलीफायर आम तौर पर चार परिशुद्धता प्रतिरोधकों के साथ एक उप-संचालक के रूप में कॉन्फ़िगर किया गया एक एकल op-amp का उपयोग करता है। आदर्श उत्पादन द्वारा दिया जाता है:

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जहां R]f] और R]i] लाभ का निर्धारण. अभ्यास में, वास्तविक op-amps पर सामान्य मोड अस्वीकृति अनुपात (CMRR), इनपुट ऑफसेट वोल्टेज, और पूर्वाग्रह धाराओं के लिए जिम्मेदार होना चाहिए. आधुनिक परिशुद्धता op-amps, जैसे एनालॉग उपकरण ADA4528 ]] या ]]Texas उपकरण OPA2188 , CMRR को 120 डीबी से अधिक और उन्हें अति-कम पुल बनाने की पेशकश करते हैं।

प्रमुख निष्पादन पैरामीटर

  • Common-Mode Rejection अनुपात (CMRR): उपाय कैसे अच्छी तरह से एम्पलीफायर दोनों इनपुट पर समान संकेतों को अस्वीकार करता है। माप को भ्रष्ट करने से पुल उत्तेजना को रोकने के लिए एक उच्च CMRR (>100 डीबी) आवश्यक है।
  • ]Input ऑफसेट वोल्टेज: एक छोटा डीसी त्रुटि जो अंतर संकेत को जोड़ती है। प्रेसिजन ओप-amps में 10 μV से नीचे ऑफसेट वोल्टेज होता है।
  • Gan Bandwidth उत्पाद (GBWP): आवृत्ति रेंज को निर्धारित करता है जिस पर एम्पलीफायर स्थिर लाभ बनाए रखता है। डीसी पुल माप के लिए, GBWP मामूली हो सकता है; गतिशील संकेतों के लिए (जैसे कंपन), उच्च बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है।
  • Noise घनत्व: कम इनपुट वोल्टेज शोर (nV/PROHz) माइक्रोवोल्ट-स्तर संकेतों को हल करने के लिए महत्वपूर्ण है। रेल-टू-रेल आउटपुट चरण एकल-आपूर्ति प्रणालियों का उपयोग करते समय गतिशील रेंज को अधिकतम करने के लिए भी फायदेमंद हैं।

एक ब्रिज सर्किट में एम्पलीफायर को कार्यान्वित करना

विषय-वस्तु

सरल कार्यान्वयन एक एकल op-amp अंतर एम्पलीफायर का उपयोग करता है। हालांकि, इस टोपोलॉजी में कम इनपुट प्रतिबाधा होती है और अच्छे CMRR को प्राप्त करने के लिए सटीक प्रतिरोधी मिलान की आवश्यकता होती है। उच्च प्रदर्शन के लिए, एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर (INA) को प्राथमिकता दी जाती है। INAs एक तीन-op-amp आर्किटेक्चर का उपयोग करते हैं: दो इनपुट बफर amp उच्च प्रतिबाधा प्रदान करते हैं, और एक अंतर amp अंतिम लाभ और सामान्य मोड अस्वीकृति प्रदान करता है। आधुनिक एकीकृत INAs, जैसे कि एनानोग डिवाइस AD8221 में लेजर-ट्रिमेड प्रतिरोधी शामिल हैं जो न्यूनतम बाहरी घटकों के साथ उच्च लाभ पर 80 डीबी से ऊपर CMRR की गारंटी देते हैं।

घटक चयन

  • Op-amp या INA: कम ऑफसेट, उच्च CMRR और उपयुक्त बैंडविड्थ के साथ एक उपकरण चुनें। प्रतिरोधी पुल सेंसर के लिए, एक हेलिकॉप्टर-स्थिर op-amp बहाव को कम करता है।
  • Resistors: लाभ सेटिंग नेटवर्क के लिए सहिष्णुता ≤ 0.1% और कम तापमान गुणांक (≤ 50 ppm /°C) के साथ सटीक धातु फिल्म प्रतिरोधी का प्रयोग करें। Mismatch सीधे CMRR को नीचा।
  • ]पावर सप्लाई: क्लीन, विनियमित आपूर्ति आवश्यक है। बैटरी संचालित उपकरणों के लिए, एम्पलीफायर पावर पिन के करीब कम ड्रॉपआउट नियामकों और डीकूपलिंग संधारित्र (0.1 μF और 10 μF) का उपयोग करें।
  • ]Input संरक्षण: श्रृंखला प्रतिरोधक (1 kΩ - 10 kΩ) और Schottky डायोड जमीन सीमा गलती धाराओं के लिए और overvoltage के खिलाफ की रक्षा।

पीसीबी लेआउट विचार

शोर और स्थिरता लेआउट से काफी प्रभावित हैं। इन दिशानिर्देशों का पालन करें:

  • पुल को जितना संभव हो उतना करीब रखें ताकि ट्रेस की लंबाई को कम किया जा सके और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को कम किया जा सके।
  • एम्पलीफायर और पुल के नीचे एक ठोस जमीन के विमान का उपयोग करें। एक मिश्रित-सिग्नल सिस्टम का उपयोग करने पर एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड अलग करें, और उन्हें एक ही बिंदु पर कनेक्ट करें।
  • प्रतिक्रिया पथ को छोटा रखें और एम्पलीफायर इनपुट के पास उच्च गति वाले डिजिटल संकेतों को रूट करने से बचें।
  • रिसाव धाराओं को कम करने के लिए उच्च-impedance इनपुट नोड्स के आसपास गार्ड के छल्ले जोड़ें।

व्यावहारिक डिजाइन उदाहरण: एक तनाव गेज के साथ गेहूं का पत्थर पुल

एक चौथाई-ब्रिज तनाव गेज सर्किट पर विचार करें 350 Ω के नाममात्र प्रतिरोध के साथ एक एकल सक्रिय तनाव गेज एक हाथ में रखा गया है, जबकि 350 Ω के तीन सटीक प्रतिरोधक पुल को पूरा करते हैं। उत्तेजना वोल्टेज 5 वी है। अधिकतम तनाव के तहत, प्रतिरोध 1% से बदलता है, लगभग 12.5 mV का अंतर वोल्टेज पैदा करता है। इसे 2.5 वी (एक 12-बिट एडीसी के लिए पूर्ण पैमाने पर) में बढ़ाने के लिए, 200 का लाभ आवश्यक है।

सर्किट विन्यास

AD8221 की तरह INA का उपयोग करके, एक बाहरी प्रतिरोधी (RG] के साथ लाभ निर्धारित किया। लाभ सूत्र G = 49.4 kΩ / R]G]G]G]] है। इनपुट की ध्रुवीयता तनाव (तनाव / संपीड़न) की दिशा के अनुरूप होना चाहिए।

अंशांकन चरण

  1. कोई तनाव लागू नहीं (संतुलित) के साथ, आउटपुट को शून्य करने के लिए ऑफसेट ट्रिम (यदि उपलब्ध हो) को समायोजित करें। कई आधुनिक आईएनए में एक संदर्भ पिन शामिल है; संदर्भ ग्राउंडिंग या एक सटीक वोल्टेज लागू करने के लिए आउटपुट शून्य सेट करता है।
  2. एक ज्ञात यांत्रिक अंशांकन (जैसे, गेज के पार एक शंट प्रतिरोधी) लागू करने के लिए एक ज्ञात प्रतिरोध परिवर्तन का अनुकरण करने और लाभ की पुष्टि करने के लिए।
  3. डिजिटल वोल्टमीटर या एडीसी के साथ आउटपुट को मापें। वास्तविक लाभ की गणना करें और यदि आवश्यक हो तो RG] को समायोजित करें।
  4. यदि आवश्यक हो तो डिजिटल रूप से क्षतिपूर्ति करने के लिए तापमान और समय पर आउटपुट को रिकॉर्ड करें।

सक्रिय फ़िल्टरिंग के साथ प्रदर्शन बढ़ाना

प्रवर्धन के बाद, अतिरिक्त फ़िल्टरिंग सिग्नल की गुणवत्ता को और बेहतर बना सकती है। एक दूसरे क्रम में कम-पास फिल्टर जिसमें एक कटऑफ आवृत्ति होती है, जो कि उच्चतम सिग्नल आवृत्ति से अधिक होती है, जिससे ब्रॉडबैंड शोर कम हो जाता है और एडीसी में आ रहा है। फिल्टर को एक सालेन-कीटोपोलॉजी के साथ लागू किया जा सकता है, जिसका उपयोग उसी ओप-amp (यदि दोहरी / चौड़ी पैकेज का उपयोग किया जाता है) या एक समर्पित फिल्टर आईसी के साथ किया जा सकता है। बहुत कम आवृत्ति माप के लिए, एक हेलिकॉप्टर-स्थिर एम्पलीफायर जिसके बाद एक निष्क्रिय आरसी फिल्टर अक्सर सूफी होती है।

अलगाव की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए (जैसे, चिकित्सा उपकरण या उच्च वोल्टेज वाले औद्योगिक वातावरण), एक पृथक एम्पलीफायर या डिजिटल आइसोलेटर को अंतर एम्पलीफायर के बाद रखा जाना चाहिए। यह जमीन के छोरों को तोड़ता है और माप इलेक्ट्रॉनिक्स की रक्षा करता है।

आम पिटफॉल और समस्या निवारण

  • ]]]]]]]]]]]]]]] का प्रयोग रोकनेवाला नेटवर्क मिलान अनुपात के साथ, या आंतरिक लेजर ट्रिमिंग के साथ एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर को लागू करें।
  • Oscillation: उत्पादन या अपर्याप्त decoupling पर अत्यधिक कैपेसिटिव लोड के कारण। आउटपुट पर एक छोटी श्रृंखला प्रतिरोधी (10 - 50 Ω) जोड़ें या फीडबैक संधारित्र जोड़कर लाभ बैंडविड्थ को कम करें।
  • ]offset drift: यदि तापमान के साथ उत्पादन में परिवर्तन होता है, तो यह सुनिश्चित करें कि ओप-amp को कम बहाव के लिए निर्दिष्ट किया गया है और पुल थर्मली संतुलित है (जैसे, तापमान मुआवजा के लिए डमी गेज)।
  • Noise pickup: शील्ड ट्विस्ट-जोड़ी इनपुट तार और ढाल को केवल एक बिंदु पर एनालॉग ग्राउंड से कनेक्ट करें। स्विचन बिजली आपूर्ति या मोटर्स के पास इनपुट तारों को रूट करने से बचें।

ब्रिज में सक्रिय विभेदक एम्पलीफायरों के अनुप्रयोग

परे तनाव गेज, सक्रिय अंतर एम्पलीफायरों में उपयोग किया जाता है:

  • प्रेस ट्रांसड्यूसर: ऑटोमोटिव और मेडिकल अनुप्रयोगों के लिए Piezoresistive पुल सेंसर।
  • ]Thermal सेंसर: प्लेटिनम प्रतिरोध तापमान डिटेक्टरों (RTDs) एक Wheatstone पुल में।
  • ]Magnetic क्षेत्र सेंसर: वर्तमान संवेदन और स्थिति का पता लगाने के लिए विशाल चुंबक प्रतिरोध (GMR) पुल।
  • ]Weigh तराजू: लोड कोशिकाएं मिलीवोल्ट-स्तर के उत्पादन का उत्पादन करती हैं, जिसके लिए सटीक प्रवर्धन और डिजिटाइजेशन की आवश्यकता होती है।
  • ]Angular स्थिति सेंसर: ब्रशलेस डीसी मोटर कम्यूटेशन में इस्तेमाल होने वाले हॉल-प्रभाव पुल।

निष्कर्ष

सक्रिय अंतर एम्पलीफायर पुल सर्किट से स्वच्छ, प्रवर्धित संकेतों को निकालने के लिए अनिवार्य हैं। सावधानीपूर्वक चयन करने वाले घटकों द्वारा - विशेष रूप से op-amp या इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर, प्रतिरोधक और बिजली आपूर्ति - और कठोर लेआउट और अंशांकन प्रथाओं के बाद, इंजीनियर माइक्रोवोल्ट्स के लिए माप संकल्प को प्राप्त कर सकते हैं। यहां चर्चा किए गए सिद्धांतों ने पुल-आधारित सेंसर की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू किया, जिससे सक्रिय अंतर एम्पलीफायर सटीक इंस्ट्रूमेंटेशन का एक कोनेस्टोन बन गया। चूंकि सेंसर सटीकता की मांग में वृद्धि, समझ और ठीक से इन एम्पलीफायरों को लागू करने से विश्वसनीय प्रणाली प्रदर्शन के लिए और भी अधिक महत्वपूर्ण हो गया।