Comprendere la catena di segnale del sensore Piezoelettrico

I sensori piezoelettrici convertono la deformazione meccanica in una carica elettrica mediante lo stress applicato ai materiali cristallini o ceramici. Questi trasduttori sono intrinsecamente dispositivi a carica ad alta impedenza con capacità di sorgente molto piccola – spesso poche centinaia di picofarads. Il segnale generato può spaziare da microvolt a centinaia di millivolts a seconda della tensione, ma richiede sempre un circuito di condizionamento che non carica l’elemento e amplifica fedelmente il segnale di carica

Il sensore di dispersione piezoelettrico può essere modellato come fonte di tensione in serie con la sua capacità interna, o come combinazione parallela di una fonte di carica e quella capacità. Entrambe le rappresentazioni mostrano che il contenuto del segnale di bassa frequenza viene perso se un ingresso a bassa resistenza fa sentire l'elemento.

Un altro aspetto spesso sovrapposto è l'effetto della capacità del cavo sulla risposta del sistema generale. Anche un breve cavo coassiale può aggiungere decine di picofarads, spostando la frequenza dell'angolo e riducendo l'ampiezza del segnale nelle configurazioni del movimento di tensione.

Topologie di amplificatori per sensori piezoelettrici

Amplificatori di tensione: Semplice ma dipendente dal cavo

L’amplificazione ad alta impedenza può amplificare la tensione del sensore, ma il passaggio ad alta resistenza può essere un’efficace risposta del cavo, ma la capacità interna del sensore può essere un’elevata resistenza, e la capacità di trasmissione del segnale è un fattore di stabilità.

Molti amplificatori FET-input mostrano una capacità di ingresso differenziale, che aggiunge direttamente alla capacità del sensore e del cavo. Questo non solo riduce l’ampiezza del segnale generale, ma introduce anche un polo che può limitare la larghezza di banda. Alcuni progettisti compensano utilizzando un condensatore di neutralizzazione attraverso la rete di feedback, ma questo aggiunge la potenza di tensione di banda.

Amplificatori di carica: il cavalletto di lavoro per il condizionamento del segnale piezoelettrico

L'amplificatore di carica utilizza un amplificatore operativo con un condensatore di feedback per convertire la carica del sensore in una tensione di uscita proporzionale. Poiché l'ingresso invertente è un terreno virtuale, la capacità del sensore e la capacità del cavo sono essenzialmente gli scarponi tracciati dalla funzione di trasferimento.

Per fornire un punto di funzionamento DC e per limitare la deriva a bassa frequenza, un reattore di feedback R[LTOS]]f[FLT1]] è posizionato in parallelo con Cf. Questo resistore crea una risposta ad alto passo con una frequenza di angolo f[FLT-4]]

Vale la pena notare che l’amplificatore di carica è un amplificatore di transimpedenza nel senso più vero – converte carica (attualmente integrato nel tempo) in una tensione. Il condensatore di feedback integra la corrente di input, e la tensione di uscita rappresenta la carica totale. Questa integrazione rende l’amplificatore di carica intrinsecamente sensibile alle correnti di dispersione DC, motivo per cui la resistenza al feedback deve essere scelto con attenzione.

Specifiche dell'amplificatore critico per la stabilità ad alta velocità

Quando si puntano a guadagni di 40 dB a 100 dB, l’amplificatore operativo deve soddisfare diversi parametri di accuratezza simultaneamente. La corrente di ingresso di input di bias è di prima importanza: una corrente di 1 pA bias che scorre attraverso una resistenza di feedback di 1 GΩ produce un offset di uscita di 1 mV, che può essere accettabile, ma una maggiore perdita può saturare l’amplificatore ad alto guadagno.

Un amplificatore a banda larga non può essere utilizzato per la manutenzione di precisione. Un amplificatore a carica tipica con un condensatore di feedback di 100 pF e una capacità di sensore di 1 nF richiede un guadagno a ciclo abbastanza grande alla frequenza più alta di interesse per mantenere il terreno virtuale.

Oltre a questi parametri, il rapporto di rifiuto comune-modalità (CMRR) e il rapporto di rifiuto dell'alimentazione elettrica (PSRR) diventano critici negli ambienti industriali rumorosi. Un amplificatore di carica con il povero CMRR può amplificare inavvertitamente l'umorismo del loop del terreno o l'interferenza RF accoppiata al cavo di segnale.

Analisi della stabilità e tecniche di compensazione

L’analisi dei feedback di C[FLT][[6]]][FLT]]]][[FLT]]]]]]] f[FLT:]] e Rf crea una coppia di pole-zer che interagisce con la funzione di trasferimento open-loop dell’op dell’op.

Una regola iniziale del pollice è quella di scegliere un valore che posiziona lo zero ad una frequenza leggermente inferiore all’intersezione del guadagno di rumore e la curva di guadagno a scatto aperta. Spesso Ccomp sull’ordine di un paio di picofarads fino a 20 pF funziona bene, ma deve essere sperimentato sperimentalmente perché le capacità di fase parassita del cambio del PCB

Per i progetti di potenza estremamente elevata (di cui 80 dB), è necessario un amplificatore a due stadi. La prima fase fornisce un guadagno moderato con un grande condensatore di feedback per limitare il guadagno di rumore, mentre la seconda fase fornisce un guadagno supplementare di tensione. Questa topologia può migliorare il rapporto di carica del segnale-to-noise generale perché il rumore di uscita della prima fase è dominato dalla sua grande C[FLT-F]f

Gestione del rumore negli amplificatori Piezoelettrici

Il rumore di fondo può oscurare i più piccoli segnali misurabili, e con un amplificatore ad alta velocità ogni fonte di rumore è ingrandito. Il rumore di Johnson da resistenze, la tensione intrinseca dell'op‐amp e il rumore di corrente non sono necessari, e 1/f (flicker) il rumore contribuisce.

La scelta di un resistore di feedback con un basso rumore in eccesso è importante. Le resistenze di film o di film sottile sono preferite rispetto ai tipi di composizione del carbonio. Mentre il rumore di resistenza del feedback viene normalmente arrotolato dal condensatore di feedback oltre l'angolo di passaggio alto, qualsiasi rumore all'interno della banda di interesse aggiunge direttamente all'output.

In primo luogo, calcolare il rumore integrato della banda di in-banda dal rumore op‐amp e il guadagno di rumore. In secondo luogo, calcolare il contributo dalla resistenza di reazione: la densità di rumore termico è √ (4 k T Rf]]), ed è filtrato ad alta potenza da C[FLT‐wi‐2]f e RLT

Selezione componenti e Step-by-Step Design Esempio

[6] L'esempio di progettazione del calcestruzzo chiarisce i concetti. Supponiamo che un accelerometro piezoelettrico con una sensibilità di 50 pC/g e una capacità di auto-consegna di 900 pF più 100 pF dalla cablaggine sia collegato ad un amplificatore di carica che emetterà 1 Vmax/g.

Il reattore di feedback imposta il valore di basso rapporto di frequenza (==================================================================================================================================================================================================================================================

Con i componenti principali selezionati, la stabilità è valutata. L’aumento del rumore per un amplificatore di carica è 1 + Ctotale / Cf, dove Ctotale = 900 pF (sensore) + 100 pFF (cavo) + 10F250 pF

Per un secondo esempio, si consideri un amplificatore ad alta frequenza per un sistema di monitoraggio della salute strutturale che opera da 10 Hz a 100 kHz. L'accelerometro ha un'auto-capacità di 300 pF e sensibilità di 10 pC/g. Per ottenere un'uscita di 100 mV/g, Cf] diventa 100 pFF, e R

PCB Layout e Scudo Migliori Pratiche

Il nodo di ingresso (terra virtuale dell'amplificatore di carica) è il punto più sensibile della scheda. Deve essere circondato da un anello di protezione collegato a un riferimento di bassa impedenza che traccia la tensione di ingresso per evitare correnti di fuga. Anche la minima contaminazione da residui di flusso o umidità può causare perdite di livello nA- che ricoprono completamente la corrente di pampa.

Il condensatore di feedback e la resistenza devono essere posizionati il più vicino possibile agli input op‐amp, con tracce molto brevi per ridurre la capacità parassita e l’induttanza. Il piano di terra dovrebbe essere continuo sotto l’amplificatore, ma tagliato sotto i nodi ad alta impedenza in modo che l’anello di protezione possa affondare correttamente la perdita.

Su una scheda multistrato, assegnare gli strati interni ai piani di terra e garantire che nessun segnale digitale o le tracce di potenza di commutazione siano eseguite vicino al nodo di ingresso analogico. Se possibile, utilizzare una zona di terra analogica dedicata che è collegata al terreno principale a un unico punto. Questo approccio di base impedisce le correnti di terra dai circuiti digitali di creare differenze di tensione che accoppiano all'amplificatore di carica.

Verifica, Tuning e Performance

Dopo l'assemblaggio, prova la stabilità e le prestazioni dell'amplificatore con un piano di prova sistematico. Inizia verificando le tensioni di alimentazione e verificando eventuali compensazioni DC non intenzionali all'uscita che potrebbero indicare oscillazione o un ingresso danneggiato. Quindi iniettare un segnale di carica noto. Questo può essere fatto guidando un piccolo condensatore calibrato in serie con un generatore di funzione: un passaggio 1 V attraverso un condensatore 10 p ° fornisce una carica di fase 10 pC.

La risposta alla frequenza può essere misurata con un analizzatore di rete o con una scansione dell'onda di ingresso mentre si traccia l'ampiezza dell'uscita. Confermare la frequenza di taglio basso di 3 dB corrisponde al Rf]]]f]] costante di tempo, e che il guadagno della banda passante è piatto.

Per una verifica approfondita, misurare la linearità dell’amplificatore applicando una serie di cariche note e tracciando l’output. La distorsione dovrebbe essere inferiore a 80 dB per misurazioni di alta qualità. Utilizzare una sorgente d’onda sinusoidale a bassa distorsione (ad esempio, Audio Precision) e un analizzatore di spettro per verificare i prodotti armonici.

Tecniche avanzate per applicazioni richieste

Protezione e Bootstrapping

Quando il sensore e la capacità del cavo diventano grandi, aumenta il rumore e aumenta il rumore di uscita. Una tecnica di boottrapping può mitigare questo guidando lo schermo del cavo con un amplificatore del buffer il cui ingresso è la tensione all'ingresso inverting (terra virtuale).

Un pratico amplificatore di carica con la funzione di boot-trappola utilizza un secondo op-amp come un buffer di unità-gain che guida lo schermo del cavo di ingresso. L’uscita del buffer è una replica a bassa impedenza della tensione di ingresso invertente, che costringe lo schermo del cavo a tracciare il conduttore del segnale.

Amplificatori compositi per larghezza di banda estesa

Quando un singolo op-amp non può fornire la larghezza di banda richiesta mantenendo la stabilità, un amplificatore composito coppie un veloce e a banda larga con un dispositivo DC-stable di precisione. In una configurazione di amplificatore di carica, una fase composito può fornire sia l'elevata impedenza di ingresso / bassa corrente di polarizzazione di un'applicazione JFET op‐amp e la larghezza di banda elevata di un moderno amplificatore ad alta velocità, dando Anaing a dieci di bit applicati.

Una comune implementazione utilizza un JFET op‐amp (ad esempio, OPA827) come prima fase in una configurazione di transimpedenza, con la sua uscita che alimenta un amplificatore di tensione a banda larga (ad esempio, THS3062).

Tecniche di condensatore commutato per le frequenze molto basse

Per applicazioni come geofoni o monitoraggio sismico dove i segnali si estendono fino a 0,01 Hz, la resistenza di feedback richiesta diventa impraticabilmente grande (intervallo di teohm).

Compensazione e filtraggio digitali

In sistemi moderni, alcuni dei componenti analogici di compensazione possono essere trasferiti al dominio digitale. Dopo la digitalizzazione, le non-idealtà dell'amplificatore di carica, come l'angolo di passaggio alto da Rf e Cf]] – possono essere corretti con un filtro digitale.

Integrazione finale e Robustezza del Mondo Real‐World

Una volta che l'amplificatore soddisfa le specifiche elettriche, deve essere integrato nel sistema più ampio. Assicurarsi che l'armadio fornisce sia la protezione fisica che la schermatura elettrica. Utilizzare guarnizioni a tenuta RF se l'ambiente contiene forti campi elettromagnetici. Il buffer di uscita dovrebbe essere in grado di guidare l'impedenza di ingresso del sistema di acquisizione dati senza caricamento. Se i segnali devono viaggiare su lunghe distanze, si può aggiungere una fase di uscita differenziale per rifiutare il rumore comune-modale.

Il sensore di dispersione di feedback Cf dovrebbe essere un tipo di protezione C0G (NP0) con un coefficiente di temperatura di ±30 ppm/°C. Il resistore di feedback Rf] può derivare con la temperatura; resistenze di film spessi-que hanno coefficienti di temperatura intorno a ±200 ppm/C

Infine, documenta la procedura di calibrazione: applica una nota eccitazione meccanica al sensore, registra l'uscita dell'amplificatore e deriva un valore di sensibilità che include l'intera catena del segnale. Questa calibrazione end-to-end garantisce che tutte le variazioni di guadagno – dalla tolleranza dell'amplificatore al cablaggio – siano considerate precise, garantendo precisione tracciabile.