Bridge Circuit Signal Measurement에 대한 Active 차동 증폭기 구현

교량 회로 이해

브리지 회로는 높은 정밀도를 가진 알 수없는 임피던스 측정을위한 전기 공학에 기본 도구입니다. 다이아몬드 구성으로 배치 된 4 개의 저항 팔로 구성된 고전적인 밀 스톤 브리지는 가장 일반적인 토폴로지입니다. 브리지는 균형이 잡힌 경우 두 개의 중간 지점 사이의 전압은 0이며, 다른 쪽에 두 저항기의 비율을 동일하게합니다. 이 조건은 알려진 값에서 파생 될 수 없다는 것을 의미합니다. 그러나 많은 실용적인 응용 프로그램에서 브리지가 비례적으로 측정되지 않은 경우, 전압은 비례적으로 측정되지 않은 전압으로, 작은 전압이 다른 전압으로 측정되지 않는 한, 작은 전압이 측정되지 않는 경우, 작은 전압이 측정되지 않습니다.

다른 교량 유형은 낮은 저항 측정을 위한 Maxwell, Hay 및 Schering 교량 및 축전기를, 뿐 아니라 Kelvin 두 배 교량 포함합니다. 특정한 topology의 무소속에 관계없이, 모든 교량 회로는 일반적인 도전을 공유합니다: 차별 산출 전압은 수시로 아주 작습니다, 밀리볼트 또는 마이크로볼트의 순서에, 일반적으로 큰 일반적인 형태 전압에 superimposed. 정확하게 이 신호를 추출하는 것은 고성능 다른 증폭기를 요구합니다.

Active Differential 증폭기의 역할

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운영 증폭기 Fundamentals

차별 증폭기는 전형적으로 4개의 정밀도 저항기를 가진 subtractor로 형성된 단 하나 op-amp를 이용합니다. 이상적인 산출은에 의해 주어집니다:

V_]out] = (R_]f/R_i]]) × (V_]]+ – V_-)]]

R_f과 R_]i]은 이득을 결정한다. 실제로, 실제 op-amps는 finite common-mode rejection ratio (CMRR), 입력 오프셋 전압 및 bias current except. 현대 정밀 op-amps, 같은 Analog 장치 ADA4528[LT:2] 또는 그 이상으로 120-FLT:7).

핵심 성과 모수

Common-Mode Rejection Ratio (CMRR):]는 증폭기가 두 입력에 동일한 신호를 어떻게 거부하는지 측정합니다. 높은 CMRR (>100 dB)는 측정을 손상시키는 교량 흥분을 방지하기 위해 필요합니다.
입력상쇄 전압:] 차동 신호에 추가되는 작은 DC 과실. 정밀도 op-amps에는 10 μV의 밑에 오프셋 전압이 있습니다.
Gain Bandwidth 제품 (GBWP): 증폭기가 안정된 이득을 유지하는 주파수 범위를 결정합니다. DC 브리지 측정의 경우 GBWP는 모뎀이 될 수 있습니다. 동적 신호 (예 : 진동), 높은 대역폭이 필요합니다.
Noise 밀도: 낮은 입력 전압 소음 (nV/√Hz)은 마이크로볼트 레벨 신호를 해결하기 위해 중요합니다. 철도 출력 단계는 단일 공급 시스템을 사용할 때 동적 범위를 극대화하는 것이 좋습니다.

Bridge Circuit에서 증폭기 구현

Topology 선택

가장 간단한 구현은 단일 op-amp 미분 증폭기를 사용합니다. 그러나이 토폴로지에는 낮은 입력 임피던스가 있으며 CMRR을 달성하는 정확한 저항기를 요구합니다. 고성능의 경우, 계측 증폭기 (INA)는 선호됩니다. INA는 3-op-amp 아키텍처를 사용합니다. 두 개의 입력 버퍼 앰프는 높은 임피던스를 제공하며, 차이점 amp은 최종 이득과 공통 모드 거부를 제공합니다. 현대 통합 된 INA는 [[[[[FLT]] [FLT]]: CMRR[FLT]: 221] dB 이상으로 높은 임피던스를 보장합니다.

구성요소 선택

Op-amp 또는 INA: 낮은 오프셋, 높은 CMRR 및 적절한 대역폭을 가진 장치를 선택 합니다. 저항 브리지 센서의 경우, chopper-stabilized op-amp는 편류를 최소화합니다.
저항자:저항률 ≤ 0.1% 및 저온 계수(≤ 50ppm/°C)를 사용하여 정밀한 금속 필름 저항기를 사용하여 네트워크 설정. Mismatch 직접 CMRR을 degrades.
전원 공급:정원, 규제된 공급은 필수적입니다. 배터리 운영 장비의 경우, 저하배전 조절기 및 디코딩 커패시터(0.1 μF 및 10 μF)를 증폭기 전원 핀에 가깝게 사용하십시오.
입력 보호: 시리즈 저항기 (1 kΩ – 10 kΩ) 및 Schottky 다이오드 지상 한계 결함 현재에 및 과전압에 대하여 보호합니다.

PCB 배치 고려

소음과 안정성은 레이아웃에 의해 크게 영향을받습니다. 이러한 지침을 따르십시오.

다리에 가까운 방사기를 배치하여 추적 길이를 최소화하고 전자기 방해를 줄일 수 있습니다.
증폭기와 교량의 밑에 단단한 지상 비행기를 이용하십시오. 혼합 신호 체계가 이용되고, 단 하나 점에 그(것)들을 연결하면 분리되는 아날로그와 디지털 방식으로 배경.
짧은 피드백 경로 유지 하 고 앰프 입력 근처 고속 디지털 신호를 라우팅.
높은 임피던스 입력 노드 주위에 가드 링을 추가하여 누설 전류를 줄일 수 있습니다.

실제적인 디자인 예: 스트레인 게이지와 밀스톤 브리지

쿼터 브리지 스트레인 게이지 회로를 고려하십시오. 350 Ω의 공칭 저항이 1 팔에 배치되어 350 Ω의 3 개의 정밀 저항기가 다리를 완료합니다. 흥분 전압은 5 V입니다. 최대 스트레인에서 저항은 1 %로 변화하며 약 12.5 mV의 차별 전압을 생산합니다. 2.5 V (풀 스케일 12 비트 ADC)에 증폭하려면 200의 이익을 요구하십시오.

회로 구성

AD8221와 같은 INA를 사용하여 단일 외부 저항기 (R_G])로 이득을 설정합니다. 이득 공식은 G = 49.4 kΩ / R_]G]]] + 1]입니다. 입력의 극성은 변형 (tension/compression)의 방향에 해당해야합니다.

교정 단계

스트레이드가 적용되지 않은 (브릿지 밸런스)는 오프셋 트림을 조절하여 출력을 0으로 조절합니다. 많은 현대 INAs에는 참고 핀이 포함됩니다. 참고를 접지하거나 정확한 전압을 적용하면 출력 0을 설정합니다.
알려진 기계 교정 (예를 들어, 게이지의 션트 저항기)를 적용하여 알려진 저항 변화를 시뮬레이션하고 이익을 확인합니다.
디지털 전압계 또는 ADC로 출력을 측정합니다. 실제 이득을 계산하고 R_]G]를 조정합니다.
온도에 출력을 기록하고 필요한 경우 디지털로 보상 할 시간.

Active Filtering으로 성능 향상

필터링을 추가하면 신호 품질을 향상시킬 수 있습니다. 가장 높은 신호 주파수가 광대역 소음을 줄이고 ADC에서 별칭을 방지하는 두 번째 명령 저하 패스 필터. 필터는 동일한 op-amp (이중 / 쿼드 패키지가 사용 된 경우) 또는 전용 필터 IC를 사용하여 Sallen-Key topology로 구현 될 수 있습니다. 매우 낮은 주파수 측정의 경우, chopper-stabilized 증폭기는 수동식 RC 필러에 의해 수행됩니다.

절연 증폭기 또는 디지털 절연체가 차광 증폭기 후에 배치되어야 하는 응용 프로그램에 대 한 (예 : 의료 기기 또는 산업 환경), 절연 증폭기 또는 디지털 절연체는 분리 된 증폭기를 가진 배치 해야 합니다. 이 방벽 지상 루프 및 측정 전자를 보호 합니다.

일반적인 Pitfalls 및 문제 해결

항저 잡기 때문에 포어 CMRR: 일치 비율을 가진 저항기 네트워크를 사용하거나 내부 레이저 트리밍을 가진 계기 증폭기를 실행하십시오.
Oscillation: 출력 또는 충분한 디코딩에 과도한 용량 하중에 의해 사용. 출력에 작은 시리즈 저항기 (10 - 50 Ω)를 추가하거나 피드백 커패시터를 추가하여 이득 대역폭을 줄일 수 있습니다.
]오프셋 드립: 온도의 출력이 변경되면, op-amp가 낮은 편류에 지정되어 있으며 다리가 열적으로 균형 잡힌 (예 : 온도 보상에 대한 더미 게이지).
Noise 픽업: 방패 꼬이는 쌍 입력 철사는 한개 점에 아날로그 배경에 방패를 연결합니다. 엇바꾸기 전력 공급 또는 모터의 가까이에 입력 철사를 여정을 피하십시오.

Bridges의 Active Differential 증폭기 응용

긴장 계기를 넘어, 활동적인 차별 증폭기는 안으로 사용됩니다:

압력 트랜스듀서: 자동차 및 의료용 압전 교량 센서.
열대 교량의 플래티넘 저항 온도 감지기(RTDs).
Magnetic 필드 센서: 현재 감지 및 위치 감지를 위한 거대한 자기장(GMR) 브리지.
Weigh Scales: Load Cell은 정밀 증폭 및 디지털화가 필요한 밀리볼트 레벨 출력을 생산합니다.
각각각 위치 센서: 홀 효과 브리지에서 브러시리스 DC 모터의 통근.