La misurazione dell'impedenza è una pietra angolare dell'ingegneria elettrica, che consente la caratterizzazione di componenti, materiali e tessuti biologici. I circuiti tradizionali del ponte, come il ponte di Wheatstone, offrono un metodo di null-balance con buona precisione, ma soffrono di limitazioni quando si misurano le impedizioni molto alte o molto basse, o quando i segnali sono piccoli.

Comprendere circuiti di bridge attivi

Un circuito di ponte attivo è un sistema a circuito chiuso che utilizza uno o più amplificatori op per mantenere una condizione bilanciata o per amplificare il segnale di uscita del ponte per la misurazione diretta.A differenza di un ponte passivo Wheatstone, dove lo squilibrio viene rilevato come una differenza di tensione, un ponte attivo può forzare automaticamente la condizione null, o può tradurre linearmente le variazioni di impedenza in un'uscita di tensione.

Da Wheatstone a ponti attivi

Il ponte classico di Wheatstone è costituito da quattro braccia di impedenza, una sorgente di eccitazione DC o AC, e un rilevatore nullo. L'equilibrio si verifica quando il rapporto di due braccia adiacenti è uguale al rapporto tra le due braccia opposte. Il ponte passivo è semplice ma ha inconvenienti:

  • Sensibilità limitata[]] per piccoli cambiamenti di impedenza a meno che il rivelatore non sia altamente sensibile.
  • Effetti di carico[] dal rivelatore, che può alterare la condizione di equilibrio.
  • I vincoli di frequenza[] a causa della capacità di reggimento e di induttanza.

I ponti attivi affrontano questi problemi incorporando gli amplificatori op a segnali buffer, null il ponte o forniscono feedback. L'elevata impedenza di ingresso dell'amplificatore riduce il carico, e il suo guadagno può elevare piccoli segnali di errore a livelli misurabili.

Componenti chiave di un ponte attivo

Un tipico circuito di ponte attivo per la misurazione dell'impedenza comprende:

  • Impedenza di riferimento casuale[[] – resistenza di precisione, condensatore o induttore (spesso commutabile per misurazioni multi-range).
  • Impedenza sconosciuta (Z]x[]]][] – il dispositivo o il materiale sotto test.
  • Uno o più amplificatori operativi[[]] – utilizzati in configurazioni come amplificatori di differenza, integratori o amplificatori di transimpedenza.
  • Fonte eccitazione[[] – un generatore di segnale AC (onda di corrente) per la misurazione dell'impedenza, o una sorgente DC per la misurazione della resistenza pura.
  • Circuito di condizionamento lineare[[] – filtri, rilevatori di fase e convertitori analogici-digitali per la lavorazione dell'uscita del ponte.

Principi di progettazione dei circuiti di bridge attivi

L'obiettivo fondamentale di qualsiasi circuito di ponte è quello di stabilire una relazione tra componenti noti e sconosciuti. In un ponte attivo, l'amplificatore op fornisce una condizione virtuale null o amplifica il segnale di errore tale che i valori dei componenti possono essere derivati dalle equazioni del circuito.

Bilancia Condizione e Funzione di trasferimento

In un semplice ponte attivo che utilizza un amplificatore in una configurazione differenziale, la tensione di uscita è proporzionale allo squilibrio del ponte. Ad esempio, consideri un mezzo ponte con due impedenze conosciute Z1 e Z2], e uno sconosciuto Zmp[FLT:

V] = (Z]]ref / Z1 - Z] / Z2[FLT]][FLT][FLT][F[F[FLT]]][F[FLT]]]][F[F[F[F[F[FLT][FLT]]]]]]]]]][F[F[F[F[F[F[F[F[F[F[F]]]][F[F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]]]][F[F[F[F[F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]][F[F[F[F[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][

In equilibrio, V]out = 0, così Zx = (Z]2 / Z1]]]]]] × Zref[FLT] stato di regolazione[FLT:

Ruolo di amplificatori Op nel circuito

Gli amplificatori Op servono molteplici funzioni essenziali nei progetti di ponti attivi:

  • Amplificando i piccoli segnali di errore[[[] – La differenza tra le braccia del ponte è spesso nella gamma microvolt a millivolt. Un amplificatore a basso rumore, ad alta velocità può aumentare questo segnale ad un livello adatto per un'ulteriore elaborazione.
  • Providing buffering[[] – L'elevata impedenza di ingresso dell'amplificatore op impedisce il caricamento delle braccia del ponte, che altrimenti disgrediscono la condizione di equilibrio e introdurranno gli errori.
  • Abilitando un bilanciamento preciso[[] – In un sistema di ricerca nulla, l'uscita op amp può guidare un elemento di impedenza variabile (ad esempio, un potenziometro digitale) per raggiungere e mantenere automaticamente l'equilibrio.
  • Ridurre gli effetti parassitari[[] – Il feedback intorno all'amplificatore può compensare la capacità di reggimento o di induttanza nella struttura del ponte, estendendo la gamma di frequenza utilizzabile.

Per le misurazioni ad alta frequenza, sono essenziali gli amplificatori op con un prodotto ad alta larghezza di guadagno (GBW) e una velocità di slitta sufficiente.

Considerazioni di progettazione per misure accurate

La misurazione accurata dell'impedenza con ponti attivi richiede un'attenta attenzione a diversi fattori intercorrenti, i seguenti elementi di progettazione sono critici per ottenere risultati ripetibili e affidabili.

Effetti di frequenza e larghezza di banda

L'impedenza è dipendente dalla frequenza per i componenti reattivi. La frequenza di eccitazione del ponte deve essere scelta in base alla gamma operativa prevista del componente e alle capacità dell'amplificatore. A frequenze elevate, il cambio di fase dell'amplificatore op, i limiti della velocità slitta e la capacità parassita possono introdurre errori significativi. Una soluzione comune è quella di utilizzare un amplificatore di blocco dedicato o un analizzatore di rete front-end che impiega il rilevamento di frequenze di fase-sensibili.

Gli errori di base della frequenza[[ possono essere minimizzati con:

  • Selezione di amplificatori op con un GBW almeno 10 volte la frequenza massima di eccitazione.
  • Utilizzando tecniche di layout PCB che riducono la capacità parassita (ad esempio, anelli di protezione, tracce di impedenza controllate).
  • Calibrazione del ponte a frequenze multiple per caratterizzare la fase sistematica e ottenere deviazioni.

Criteri di selezione dell'amplificatore Op

La scelta di op amp influisce direttamente sulla precisione di misura.

  • Tensione di offset di ingresso (V[]os]]][]] – causa un offset DC che può saturare l'amplificatore o essere interpretato male come un cambiamento di impedenza.
  • Corrente di input di bias (I[]b[]]][[] – scorre attraverso le impedenze del ponte, creando ulteriori gocce di tensione. Per le misurazioni ad alta impedenza (>1 MΩ), FET-input op amps (ad esempio, OPA140) con correnti di bias di femtoampere sono necessari.
  • Densità del rumore[ – rumore del flicker (1/f) e rumore bianco limitano il minimo cambiamento di impedenza rilevabile.
  • L'oscillazione di tensione e di uscita di approvvigionamento[] – deve ospitare la gamma dinamica dell'uscita del ponte senza clipping.

Tolleranze componenti e stabilità della temperatura

Le impedenze di riferimento note devono avere una bassa tolleranza (ad esempio, 0,01% o meglio) e un coefficiente di temperatura basso (TCR < 10 ppm/°C). I resistori con la costruzione di fili o di sottili film sono comunemente utilizzati. Per ponti capacitivi o induttivi, condensatori standard e induttori con fattori di qualità definiti (Q) sono necessari tutti i componenti passivi per abbinare la frequenza di misura; ad esempio, i condensatori di pellicola sono preferiti.

Calibrazione e minimizzazione degli errori

Anche con un design attento, devono essere corretti errori sistematici dovuti a errori di componenti, tensioni di offset e parassiti di randagi.

Standard di calibrazione e procedure

Una tipica calibrazione utilizza tre standard noti per caratterizzare il sistema di misura sulla gamma di frequenza desiderata:

  • La calibrazione a circuito aperto[] – misura la capacità di reggimento e la perdita nella porta di prova.
  • La calibrazione a cortocircuito[] – misura l'induttanza residua e la resistenza dei cavi di prova.
  • La calibrazione del carico[] – utilizza una nota impedenza di riferimento (ad esempio, una resistenza di precisione di 100 Ω) per impostare il riferimento di magnitudine e fase.

Questi dati di calibrazione vengono utilizzati per calcolare i vettori di correzione degli errori che vengono applicati in tempo reale durante la misurazione. Molti analizzatori di LCR e di impedenza effettuano automaticamente questa correzione.

Compensazione offset e Drift

Tensioni offset Op amp deriva con temperatura e tempo. Tecniche per ridurre al minimo la deriva includono:

  • Usando un amplificatore auto-stabilizzato o stabilizzato al elicottero.
  • Implementare un canale di ponti fittizio che corrisponde al percorso di misura ma con una certa impedenza, quindi sottrarre le uscite (misurazione differenziale).
  • Eseguire cicli di calibrazione automatica periodici (ad esempio, prima di ogni corsa di misura).

Per le elevate impedenze (>1 MΩ), le tecniche di guida della guardia, dove un buffer di tensione a bassa impedenza guida lo scudo, eliminano efficacemente le correnti di fuga.

Topologie avanzate di bridge attivo

Mentre il ponte attivo di base è spesso implementato come amplificatore differenziale attraverso un mezzo ponte, diverse topologie specializzate offrono vantaggi per applicazioni specifiche.

Ponte di Wien e ponti AC

Il ponte Wien, comunemente usato per la misurazione della capacità, incorpora un amplificatore op per mantenere le condizioni di oscillazione o per annullare il ponte. Un ponte attivo di Wien può fornire elevata linearità in diversi decenni di capacità. Allo stesso modo, il ponte Maxwell e il ponte Schering, quando potenziato con gli amplificatori op, consentono una misurazione precisa di induttanza e fattore di perdita (fattore di dissipazione).

Ponte di auto-finanziamento

I moderni contatori di LCR usano in genere un ponte di bilanciamento automatico (anche chiamato un ponte convertitore corrente-voltaico). In questa topologia, l'impedenza sconosciuta Zx è guidata da una sorgente di tensione AC, e la corrente attraverso Zx] è misurata da un amplificatore di resistenza di transimpedance (op amp con un feedback

Ponte con feedback digitale

Per le apparecchiature di prova automatizzate, la condizione di bilanciamento del ponte può essere raggiunta in digitale. Un convertitore digitale-analogico (DAC) guida una rete di impedenza variabile (ad esempio, moltiplicando DAC con un array di resistori) sotto il controllo del microcontrollore. L'uscita op amp viene campionata da un ADC, e il microcontrollore regola il DAC fino a quando l'uscita non viene annullata.

Applicazioni dei circuiti di bridge attivi

La flessibilità e la precisione dei circuiti di ponti attivi li rendono indispensabili in molti campi, in cui sono riportate applicazioni rappresentative con considerazioni pratiche.

Analisi della proprietà dei materiali

La spettroscopia dielettrica misura la capacità e la conducibilità dei materiali come funzione di frequenza. I ponti attivi sono utilizzati per caratterizzare polimeri, ceramiche e tessuti biologici. Ad esempio, un condensatore a piastre parallele con il campione come dielettrico è collegato come impedenza sconosciuta. Il ponte attivo può misurare i cambiamenti di capacità come piccolo come 1 fF e tan(δ) valori fino a 0.0001, consentendo studi di processi di rilassamento e di contenuto di umidità.

Biosensore e Biomedica Impedenza

L'analisi della bio-impedenza (BIA) utilizza correnti AC di basso livello (di solito 50 μA a 500 μA a frequenze da 1 kHz a 1 MHz) per misurare la composizione del corpo. I circuiti di bridge attivi nei dispositivi BIA spesso utilizzano una topologia auto-bilanciante per gestire l'ampia gamma di impedenze (100 Ω a 1 kΩ per il corpo intero, fino a diversi MΩ per il contatto elettrodo).

Calibrazione e test dei componenti del sensore

I sistemi di test di fabbricazione per resistenze, condensatori, induttori e sensori (ad esempio, i terminatori, gli estensimetri) si basano su ponti attivi. Ad esempio, un estensimetro in una configurazione a mezza ponte con un amplificatore differenziale op amp può rilevare cambiamenti di micro-strain. L'uscita del ponte è direttamente proporzionale al cambiamento di resistenza, permettendo una semplice calibrazione con gli standard di peso o di spostamento.

Interfacciamento del sensore capacitivo

I sensori capacitivi per la prossimità, la pressione o l'umidità spesso richiedono la misurazione dei cambiamenti di capacità nella gamma di picofarad. Un ponte attivo può essere progettato utilizzando un amplificatore in una configurazione di convertitore capacitivo-to-tensione (CVC), dove il sensore forma un braccio del ponte. L'uscita del ponte viene demodulata con un rivelatore di lettura di fase-sensibile per estrarre efficacemente il componente capacitivo, rifiutando l'approccio di stray

Esempio di progettazione pratica: un semplice ponte di capacità attivo

Per illustrare i concetti di design, prendere in considerazione un circuito per misurare piccole capacità (1 pF a 100 pF) a 10 kHz.

  • Op amp[[]: OPA140 (bassa corrente di bias, GBW = 11 MHz) per minimizzare il carico e mantenere la planarità di guadagno a 10 kHz.
  • Reference condensatore[[]: Cref[ = 10 pF, ±0,5%, ceramica NP0 (bassa deriva).
  • Riscontri[]: R]1[] = R[[2[] = 10 kΩ, tolleranza dello 0,1%.
  • Eccitazione[]: 1 V]pp sine wave da un generatore di segnale (ad esempio, modulo DDS AD9833).
  • Output[]: L'uscita op amp viene alimentata ad un demodulatore bilanciato (ad esempio AD630) per estrarre i componenti in-fase e quadrature, che sono digitalizzati da un ADC a 24 bit (ADS1256).

Il circuito funziona come segue: Il ponte è bilanciato quando Cx] = Cref[], dando Vout = 0. Qualsiasi deviazione produce una tensione proporzionale a ΔC.

Conclusioni

I circuiti di bridge attivi sfruttano l'elevata impedenza di ingresso, il guadagno e le capacità di feedback degli amplificatori op a raggiungere misure di impedenza sia precise che flessibili. Comprendendo le condizioni di equilibrio, selezionando i componenti appropriati e applicando la calibrazione rigorosa, gli ingegneri possono progettare sistemi che operano da DC a frequenze radio, misurando le impedenze da milliohms a teraohms dettagliati.