橋回路信号測定のための活動的な差動のアンプの実装

主性能変数

• Common-Modeの拒絶反応比(CMRR):]は、両方の入力で同じ信号を拒絶する測定値の計測値です。 測定を破損から橋の励起を防ぐには、高いCMRR(>100dB)が必要です。
• []入力オフセット電圧:[]]差動信号に付加する小さなDCエラー。 精度のオペアンプは10μV未満のオフセット電圧を持っています。
• [] ガン帯域幅製品(GBWP):[ は、アンプが安定した増加を維持する周波数範囲を決定します。 DCブリッジ測定では、GBWPは、ダイナミック信号(例えば、振動)のために、より高い帯域幅が必要であることができます。
• ノイズ密度:]]低入力電圧ノイズ(nV/√Hz)は、マイクロボルトレベルの信号を解決するために不可欠です。 レールツーレール出力ステージは、単一供給システムを使用するときにダイナミックレンジを最大化するためにも有益です。

ブリッジ回路におけるアンプの実装

地質学の選択

コンポーネント選択

• []Op-ampまたはINA:[ 低オフセット、高CMRR、および適切な帯域幅を備えたデバイスを選択します。 抵抗ブリッジセンサーの場合、チョッパーが安定したオペアンプはドリフトを最小限に抑えます。
• []抵抗:[]]]] 許容度で精密金属フィルム抵抗器を使用して 0.1% と低温度係数(≦ 50 ppm/°C) ゲイン設定ネットワーク。 直接MissmatchはCMRRを劣化させます。
• 電源:]クリーンで調整された供給は不可欠です。電池式機器の場合、低ドロップレギュレータとデカップリングコンデンサ(0.1μF、10μF)をアンプパワーピンに閉じます。
• []入力保護:]シリーズ抵抗器(1kΩ～10kΩ)とSchottkyダイオードを接地限界欠陥電流にし、過電圧から保護します。

PCBレイアウトの考察

騒音と安定性は、レイアウトの影響を受けます。これらのガイドラインに従ってください。

• アンプをブリッジにできるだけ近い位置に置き、トレースの長さを最小限に抑え、電磁干渉を低減します。
• アンプと橋の下にある固体地上平面を使用してください。 混合信号システムが使用される場合は、アナログとデジタルの分離し、それらを単一の点で接続します。
• フィードバックパスを短く保ち、アンプの入力付近の高速デジタル信号をルーティングしないでください。
• 漏れ電流を削減するために、高インピーダンス入力ノードの周りにガードリングを追加します。

実用的な設計例: ひずみゲージが付いている小麦岩橋

クォーターブリッジのひずみゲージ回路を検討してください。 350Ωのわずかな抵抗を持つ単一のアクティブ株ゲージは、1つの腕に配置され、350Ωの3つの精密抵抗は橋を完了します。 励起電圧は5 Vです。 最大株では、1%による抵抗変化、約12.5 mVの差電圧を生成します。 これを2.5 V(フルスケール12ビットADC)に増幅するには、200の利益が必要です。

回路構成

AD8221 のような INA を使用して、単一の外部抵抗器 (R_{]]) で利益を設定します。 ゲイン式は ]] G = 49.4 kΩ / R]] G[[] + 1]] です。 入力の極性は、緊張(張力/圧縮)の方向に一致する必要があります。}

校正工程

1. ひずみが加えられなかった(バランスが取れた橋)、オフセットのトリム(利用できる場合)を出力をゼロに調節して下さい。多くの現代INAsは参照ピンを含んでいます;参照を基づかせているか、または精密な電圧セットを出力ゼロ加えること。
2. 既知の機械的校正(例えば、ゲージを横断するシャント抵抗器)を適用して、既知の抵抗変化をシミュレートし、ゲインを確認します。
3. 出力をデジタルの電圧計またはADCで測定します。 実際の利益を計算し、必要に応じてR_]Gを調節します。
4. 出力を温度と時間をかけて記録して、必要に応じてデジタル化します。

アクティブフィルタリングによるパフォーマンスの向上

増幅後、追加のフィルタリングは、信号品質を向上させることができます。 切込み周波数の秒順低パスフィルタは、広帯域ノイズを削減し、ADCでエイリアシングを防ぐことができます。 フィルターは、同じオペアンプ(デュアル/クワッドパッケージが使用されている場合)を使用して、または専用のフィルタICを使用して、Sallen-Keyトポロジーで実装することができます。 非常に低周波測定のために、チョッパースタブルアンプは、多くの場合、RCのパッシブフィルタで続きます。

分離された増幅器またはデジタル分離器は、分離された増幅器(例えば、高電圧の医療機器または産業環境)を必要とするアプリケーションのために、差動アンプ後に配置する必要があります。これは、地上ループを破り、測定電子機器を保護します。

一般的な落札とトラブルシューティング

• 抵抗値の誤差によるPoor CMRR:] 比で抵抗ネットワークを使用して、または内部レーザートリミングで計測アンプを実装します。
• []振動:[]]]は、出力または不十分なデカップリング上の過度の容量性負荷によって使用されます。 出力時に小さなシリーズ抵抗(10〜50Ω)を追加したり、フィードバックコンデンサを追加することにより、帯域幅を低下させます。
• オフセットドリフト:]]] 出力が温度で変化すると、オペアンプが低ドリフトで指定され、橋が熱的にバランスが取れることを確認します(例えば、温度補償のためのダミーゲージ)。
• [ノイズピックアップ:]シールドねじれ式入線を1点でアナログ地面にシールドを接続します。電源やモーターを切り替えるの近くに入力線をルーティングしないでください。

橋のアクティブ・ディメンタル増幅器のアプリケーション

ひずみゲージを超えて、アクティブ差動アンプは、次の用途で使用されます。

• 圧力トランスデューサ:[自動車および医療用途のための圧迫的な橋センサー。
• 熱線橋のプラチナ抵抗温度検出器(RTD)。
• 磁場センサ:] ジャイアント磁気抵抗(GMR) ブリッジで、電流感や位置検出を行えます。
• スケールを量ります:] ロードセルは、精密増幅とデジタル化を必要とするミリボルトレベルの出力を生成します。
• 角位置センサ:[]ブラシレスDCモーター通勤に使用されるホール効果橋。