Begrijpen van de piezo-elektrische sensorsignaalketen

Piëzo-elektrische sensoren zetten mechanische vervorming om in een elektrische lading door stress toegepast op kristallijn of keramische materialen. Deze transducers zijn inherent hoge impedantie-laadmodus apparaten met zeer kleine bron capaciteit . Vaak een paar honderd picofarads. Het gegenereerde signaal kan variëren van microvolt tot honderden millivolt afhankelijk van de spanning, maar het vereist altijd een conditionering circuit dat niet het element laden en getrouw versterkt het signaal over de frequentieband van belang. De fundamentele uitdaging is dat de sensor zelf-capaciteit en aangesloten bekabeling vormen een hoge-pass filter met elke weerstand ingang beëindiging, terwijl de kleine opgeslagen lading vervalt wanneer een DC pad bestaat. Ontwerpers moeten een versterker topologie selecteren die deze beperkingen en levert platte, voorspelbare winst.

Het onderzoeken van de sensor-equivalentenkring verduidelijkt de ontwerpdoelen. Een niet-elektrische transducer kan worden gemodelleerd als een spanningsbron in serie met zijn interne capaciteit, of als een parallelle combinatie van een oplaadbron en die capaciteit. Beide weergaven tonen aan dat het lage-frequentiesignaalgehalte verloren gaat als een lage weerstand het element doorschakelt. Bij hogere frequenties gedraagt de bron zich capacitief, zodat de ingangsknoop van de versterker een impedantie moet hebben die veel groter is dan de capacitieve reactie van de sensors over de band. Dit introduceert een demping en faseverschuiving die meetnauwkeurigheid degraderen. Om deze redenen is de conditionering van het elektriciental signaal op twee hoofdtopologieën geconverteerd: de spannings-modusversterker en de laad-modusversterker. Deze laatste is overwel het meest aangewezen wanneer hoge winst, stabiliteit en kabel-ongevoelige prestaties vereist zijn. Bovendien omvat de gelijkwaardige schakeling van de sensor een lekweerstand in parallel, die veel gigaohms kan zijn, maar nog steeds invloed heeft op de lagefrequentierespons.

Een ander vaak overzien aspect is het effect van de kabelcapaciteit op de algemene systeemrespons. Zelfs een korte coaxkabel kan tientallen picofarads toevoegen, de hoekfrequentie verschuiven en de signaalamplitude in de spanningsmodus-configuraties verminderen. In multikanaalsystemen veroorzaken onverenigbare kabellengtes variaties die kalibratie bemoeilijken. Een laadversterker maakt deze verschillen effectief teniet, waardoor het de standaard is voor precisiemetingen. Voor een meer gedetailleerde behandeling van sensormodellering biedt de Kistler-oplaadversterker glossarium ] een nuttige achtergrond voor de natuurkunde van de ladingsconversie.

Versterker Topologieën voor Piëzo-elektrische sensoren

Spanningsversterkers: eenvoudig maar kabelloos

Een spanningsversterker die als een niet-inverterende hoge impedantiebuffer is geconfigureerd, kan de sensorspanningen van open circuits versterken. Deze benadering vereist een ingangsvoordeelstroom die laag genoeg is om te voorkomen dat de spanningsval over de zeer grote bronimpedantie valt, die FET-ingangs- of elektrometer-grade operationele versterkers vereist. De sensor heeft echter een interne capaciteit en de kabelcapaciteit vormen een spanningsverdeler met de versterkers ingangscapaciteit, waardoor de winst gevoelig wordt voor kabellengte en type. In industriële omgevingen kan bekabeling variëren en elke verandering verandert de effectieve broncapaciteit, waardoor de signaalamplitude en de uitschakelingsfrequentie van het natuurlijke highpass-gedrag worden verschoven. Deze gevoeligheid maakt het risico van spanningsimplicatie voor precisiewerk. Voor toepassingen waarbij de kabellengte vast is en de kalibratie in situ kan worden uitgevoerd, een goed ontworpen spannings-modus met een hoogspanningstraject (bv. 10 MΩ tot 1 GΩ) - weerstand tegen grond kan de spanningsmeter nog steeds werken, maar deze zorgt zelden voor een vlakke responsie van de spanningsstabiliteit die de spanningsconditie en .

Bij het gebruik van een spanningsversterker moet de ingangscapaciteit van de op-amp zelf zorgvuldig worden beheerd. Veel FET-inputversterkers vertonen een capaciteit van 10 tot 20 pF aan differentiële ingang, die direct bijdraagt aan de sensor en de kabelcapaciteit. Dit vermindert niet alleen de totale signaalamplitude, maar introduceert ook een pool die bandbreedte kan beperken. Sommige ontwerpers compenseren door gebruik te maken van een neutralisatie condensator over het feedbacknetwerk, maar dit voegt complexiteit toe. Voor breedbandmetingen boven 10 kHz wordt de spanningsversterkers kabelgevoeligheid vaak onacceptabel, waardoor de ontwerper naar de topologie van de laadversterker wordt geduwd. Bovendien zijn spanningsversterkers gevoeliger voor storing in de gemeenschappelijke stand omdat de sensoruitgang drijft en eventuele geluiden die aan de kabel worden gekoppeld direct bij de ingang verschijnen. Zorgvuldige afscherming en differentiële meting kan dit verzachten, maar tegen de kosten van verhoogde complexiteit.

Oplaadversterkers: De werkpaard voor Piëzo-elektrische signaalconditionering

Een laadversterker gebruikt een operationele versterker met een terugkoppelingscondensator om de sensorlading om te zetten in een proportionele uitgangsspanning. Omdat de omkerende ingang een virtuele grond is, wordt de sensor zijn eigen capaciteit en de kabelcapaciteit in wezen uit de overdrachtsfunctie gebootst.De uitgangsspanning wordt gegeven door Vout = .Qin[] / C[f[, waarbij Q[][[[FLT:]]] de door de sensor en C[[[FLT:]]]] gegenereerde lading is, is de terugkoppelingscondensator. De winst wordt dus uitsluitend bepaald door een stabiele, door de gebruiker gekozen condensator, niet door de sensor of kabelparameters. Deze intrinsieke ongevoeligheid voor de kabelconvensitiviteit maakt de standaardkeuze van de ladingsversterker voor laboratorium, O & O & O & O & O & O & O-controle.

Om een DC-bedieningspunt te bieden en een lage frequentiedrift te beperken, wordt een feedbackweerstand Rf parallel met Cf[] geplaatst. Deze weerstand creëert een hoge-passrespons met een hoekfrequentie fhp = 1/(2π·R[]f[·C[f[]]). Het selecteren van R[f[] groot genoeg om de laagste signaalfrequenties te passeren terwijl de versterkervooroordeelstromen nog steeds worden gesponst is mogelijk een tijdconstante van meerdere seconden nodig voor seismische sensoren, waarbij gebruik wordt gemaakt van weerstanden in het 100 MΩ naar multi-gigaohm. Deze keuze wordt direct gericht op op op op op op op op-ampère ingangsvoorwaartse stroom, zoals die met JFET of GMO-ingangen

Het is de moeite waard te vermelden dat de laadversterker een transimpedantieversterker is in de meest waarheidsgetrouwe zin . . Deze converteert lading (stroom geïntegreerd in de tijd) naar een spanning. De feedback condensator integreert de ingangsstroom, en de uitgangsspanning vertegenwoordigt de totale lading. Deze integratie maakt de laadversterker inherent gevoelig voor DC lekkagestromen, waardoor de feedback weerstand zorgvuldig moet worden gekozen. Voor zeer lage frequentie toepassingen, een schakelaar-capacitor weerstand of een servo loop kan vervangen de fysieke weerstand, het elimineren van het thermische geluid en de drift. Een uitgebreide beoordeling van de laadversterker architectuur is beschikbaar in Analoge Apparaten versterker ontwerp artikel[].

Specificaties voor de kritische versterker voor de stabiliteit van hoge gain

Bij een richtwaarde van 40 dB tot 100 dB moet de operationele versterker tegelijkertijd aan verschillende aftastende parameters voldoen. Inputvoordeelstroom is van het eerste belang: een 1 pA-voordeelstroom die door een 1 GΩ-terugkoppelingsweerstand stroomt, produceert een uitgangscompensatie van 1 mV, die aanvaardbaar kan zijn, maar een hogere lekkage kan de versterker bij hoge winst verzadigd maken. Geavanceerde apparaten zoals de ADA4625‐1[] en OPA827[[]] combineren zeer lage biasstromen met lage spanningsruis. De ingangsspanningsgeluidsdichtheid (nV/√Hz) moet dus laag genoeg zijn om na vermenigvuldiging door de winstfactor het signaal niet te verzweven. In de configuratie van de load-amplifier wordt het uitgangsgeluid gedomineerd door de op-amplifier, vermenigvuldigd met de verhouding van de totale ingangscapaciteit tot feedbackcapaciteit.

Een typische laadversterker met een terugkoppelingscondensator van 100 pF en een sensorcapaciteit van 1 nF vereist een luswinst die groot genoeg is om de hoogste frequentie van belang te houden om de virtuele grond te behouden. Onvoldoende loopwinst leidt tot onnauwkeurigheid en mogelijke instabiliteit. Bovendien moet de sluwheidsgraad voldoende zijn om de snelste signaalovergangen te volgen. Harmonische vervorming en het afstellen van gedrag kunnen ook worden afgebroken als de versterker uitbreekt. Ten slotte is de eenheidsstabiliteit van de op-amp niet het hele verhaal; het feedbacknetwerk introduceert fasevertraging die een nominaal eenheid-gain-stabiele versterker kan omzetten in een oscillator als deze niet correct gecompenseerd wordt.

Naast deze parameters worden de dimension ratio (CMRR) en de dimension ratio (PSRR) van de stroomtoevoer (common-mode design ratio) in een lawaaierige industriële omgeving kritisch. Een laadversterker met een slechte CMRR kan onbedoeld de aard-loop hum of RF interferentie gekoppeld aan de signaalkabel versterken. Het selecteren van een op-amp met CMRR boven 100 dB bij de frequenties van belang is raadzaam. Ook moet PSRR hoog (> 80 dB) zijn om te voorkomen dat de toevoer rimpel aan de uitgang verschijnt. Met behulp van een lage-dropout regulators met een uitganggeluid onder 10 μV[ kan RMS[] de versterker verder isoleren van de levering van artefacten. Voor batterij-aangedreven systemen varieert de voedingsspanning vaak met ontlading; een hoge PSRR zorgt voor een consistente winst. Het is ook verstandig om de versterkers over-load recovery tijd te evalueren, aangezien een sterke transiënte de versterker tot saturate en honderden microseconden kan leiden tot terugkeer naar lineaire werking.

Stabiliteitsanalyse en compensatietechnieken

De stabiliteit in hoge-gain, capacitieve-feedbackversterkers wordt niet automatisch gegarandeerd. Het feedbacknetwerk dat wordt gevormd door C[f en Rf[] creëert een pool-nulpaar dat interacteert met de open-loop-overdrachtsfunctie van op-amps. Een Bode-plotanalyse toont aan dat de fasemarge ernstig kan afbreken als de feedback-netwerkpool te dicht bij de versterkers tweede pool ligt. Een gemeenschappelijk symptoom is een scherpe piek in de gesloten-loopfrequentierespons of een volledige oscillatie bij een paar megahertz. De standaardoplossing, beschreven in tal van toepassingsnoten waaronder TI.

De keuze van de compensatiecondensator vereist enige berekening. Een startregel van duim is om een waarde te kiezen die de nul op een frequentie iets onder het snijpunt van de geluidsoverlast en de open-loop-aanwinstcurve plaatst. Vaak werkt Ccomp in de volgorde van een paar picofarads tot 20 pF goed, maar het moet experimenteel worden geverifieerd omdat parasitaire capaciteit op de PCB het resultaat kan verschuiven. Een andere techniek is om een gedecompenseerde versterker te gebruiken die niet eenheid-aanhang stabiel is en het omringt met een feedbacknetwerk dat een minimale geluidsoverwinning garandeert boven het punt waar de versterker fasemarge voldoende is. Deze benadering kan de beschikbare bandbreedte verhogen maar vereist een grondige simulatie en test op de bank. In alle gevallen moet de versterker worden aangedreven met een klein-signaal-vierkant golf door een bekende broncapaciteit en de output gecontroleerd met een oscilloscope om te kijken naar ringing of aanhoudende oscillosie.

Voor extreem hoge gain-ontwerpen (meer dan 80 dB) kan een tweetraps laadversterker nodig zijn. De eerste fase zorgt voor een matige winst met een grote terugkoppelingscondensator om de geluidsoverlast te beperken, terwijl de tweede fase extra spanningswinst biedt. Deze topologie kan de algehele signaal-to-noise ratio verbeteren omdat de eerste fase het uitgangsgeluid beheerst door zijn eigen grote Cf. De compensatie tussen fasen moet zorgvuldig worden ontworpen om lage frequentie instabiliteit te voorkomen. Met behulp van een stroom-feedback operationele versterker (CFOA) in de tweede fase kan de bandbreedte worden vergroot, maar CFOA's hebben een hogere ingangsvoordeelstroom en zijn over het algemeen niet geschikt voor de hoge impedantie-ingang van een directe laadversterker. Een alternatief is het gebruik van een samengestelde versterker, die in de geavanceerde technieken wordt besproken.

Geluidsbeheer in Piezo-elektrische versterkers

De geluidsoverlast kan de kleinste meetbare signalen verduisteren en met een hoge versterker wordt elke geluidsbron vergroot. Johnsongeluid van weerstanden, de op-amp. intrinsieke spanning en stroomruis, en 1/f (flikker) lawaai dragen allemaal bij. Voor een laadversterker is de uitgangsspanningsgeluidsspectraaldichtheid ongeveer en,out = en[ · (C[]totaal[] / C[[]]f[]) waar C[[[totaal[ de som van sensor, kabel en ingangscapacitiviteiten is dan ook de meest effectieve manier om geluid te verminderen. Gebruik de zo kortst mogelijke laag-noise coaxiale kabel, en vermijd onnodige connectoren. Op de print moet de omkeringsring geen enkele ring worden omgereden door een lage weerstand van de ingangsimplicatie van

Het is ook belangrijk om een terugkoppelingsweerstand met een laag geluid te kiezen. Metalen-film of dunnefilmweerstanden hebben de voorkeur boven koolstof-compositietypes. Terwijl de terugkoppelingsweerstandsgeluid normaal gesproken wordt weggerold door de terugkoppelingscondensator buiten de hoge-doorlaathoek, voegt elk geluid binnen de interessante band direct toe aan de output. Als de toepassing DC vraagt naar zeer lage frequentieprestaties, kan een servolus worden gebruikt in plaats van een grote weerstand om de output te stabiliseren zonder geluidsoverlast toe te voegen. De op-amp zelf moet worden geselecteerd voor lage hoekfrequentie bij lage frequentiesignalen, zodat de selectie een afweging kan maken die met een totaal-ruissimulatie moet worden geëvalueerd.

Een systematische geluidsanalyse volgt drie stappen. Ten eerste, het geïntegreerde geluid in de band berekenen van het op-ampspanningsgeluid en de geluidsoverlast. Ten tweede, het berekenen van de bijdrage van de feedbackweerstand: de thermische geluidsdichtheid is √(4 k T Rf), en het is een hoog-doorlaatfilter door Cf[ en Rf. Ten slotte, voeg eventuele door kabel geïnduceerde geluiden toe, die vaak gemodelleerd zijn als een reeks spanningsgeluidsbron. Het verminderen van deze in kwadratuur geeft de totale output RMS-geluid. Voor een typisch ontwerp dat gericht is op 1 mV]RMS[ outputgeluid over een bandbreedte van 10 kHz, moet de op-ampspanningsgeluid minder dan 10 nV/√Hz zijn en de totale inputcapaciteit onder 200 pF.

Componentselectie en stap-voor-stap-ontwerpvoorbeeld

Een betonnen ontwerpvoorbeeld verduidelijkt de concepten. Stel dat een piëzo-elektrische versnellingsmeter met een gevoeligheid van 50 pC/g en een zelfcapaciteit van 900 pF plus 100 pF van bekabeling wordt aangesloten op een laadversterker die 1 V/g zal uitstoten. De vereiste belastingsversterker is Vout/Qin = 1 V/(150 pC/g) = 6,67 mV/pC, of gelijkwaardig 1 V voor 150 pC. De feedback-capacitor wordt gekozen als C[]f = Qin,max / Vout,max]. Voor een ±50 g-uitgangszwing, Q[in,max]] = 2500 p]]] [F: 250] [F] is de standaardwaarde van de standaardwaarde van de standaard

De feedbackweerstand stelt de lagefrequentieafsluiting in. Voor een 0,5 Hz .10% punt, Rf = 1/(2π·0.5 Hz·250 pF) ≈ 1.27 GΩ. Een 1 GΩ of 1,5 GΩ weerstand is praktisch; de exacte waarde kan digitaal worden afgesneden of getolereerd als de exacte hoek niet kritisch is. Extreem hoge waarde weerstanden zijn beschikbaar als dikke-film of speciale glas-encapsulated onderdelen van fabrikanten zoals Vishay[]. De op-amp moet een vingstroom hebben van ruim onder 1 pA . .]LTC6268[ met zijn 20 fA typische input-voordeel is een uitstekende kandidaat, zoals de op-amp een OPA827 op ongeveer 50 fA.

De ruiswinst voor een laadversterker is 1 + Ctotaal/C[f, waarbij C[totaal[ = 900 pF (sensor) + 100 pF (kabel) + 10 pF (op-amp input) ≈ 1010 pF. Geluidswinst = 1 + 1010/250 = 5.04, of 14 dB. De op-amp moet stabiel zijn bij deze geluidswinst. De LTC6268 is stabiel bij een winst van 1 of hoger, maar de feedbacknetwerkfase pauze vereist nog steeds een compensatie capacitor C[comp over R[[FLT:]]f. Een startpunt van 2 pF wordt geplaatst en wordt aangepast bij het observeren van de kleine-sign-staprespons op ringen zonder ondoorbroken te pauzen.

Voor een tweede voorbeeld, overwegen een high-frequency charge versterker voor een structurele gezondheidsmonitoring systeem dat werkt van 10 Hz tot 100 kHz. De accelerometer heeft een zelfcapaciteit van 300 pF en gevoeligheid van 10 pC/g. Om een output van 100 mV/g te bereiken, C[f[ wordt 100 pF, en R[f[] is ingesteld op 1 GΩ voor een hoek op 1,6 Hz. De geluidswinst is 1 + (300+100+10)/100 = 4.1, die beheersbaar is. Hier, een gedecompenseerde op-amp zoals de OPA847 (minimum stabiele winst van 3) kan worden gebruikt om een hogere bandbreedte te bereiken. De compensatie capacitor kan zo laag als 1 pF zijn om te voorkomen dat de fasemarge buitensporig te verminderen. De PCB-layout moet bijzonder worden gereinigd met korte sporen en een solide grondvlak onder de versterker.

PCB-indeling en bescherming van beste praktijken

De indeling kan een hoge impedantie, hoog-gain piëzo-elektrische versterker maken of breken. De ingangsknoop (virtuele ondergrond van de laadversterker) is het meest gevoelige punt op het bord. Het moet worden omringd door een bewakerring aangesloten op een lage impedantiereferentie die de ingangsspanning volgt om lekkagestromen te voorkomen. Zelfs lichte verontreiniging door fluxresten of vocht kan leiden tot lekkages op nA-niveau die de pA-voordeelstromen overspoelen. De PCB moet na montage grondig worden gereinigd en eventueel conform worden gecoat in vochtige omgevingen.

De terugkoppelingscondensator en weerstand moeten zo dicht mogelijk bij de ingangen van de op-amp worden geplaatst, met zeer korte sporen om de parasitaire capaciteit en inductantie te verminderen. Het grondvlak moet continu onder de versterker worden geplaatst, maar moet onder de hoge impedantiennoden worden weggesneden, zodat de beschermingsring goed kan zinken. De voeding ontkoppeling met een 10 μFunctionarisch en 0,1 μF keramische condensator per voedingspen is standaard; ferrietkralen kunnen worden toegevoegd om hoogfrequent geluid te onderdrukken. De gehele versterker moet zich bevinden in een afgeschermde metalen behuizing om elektromagnetische interferentie te blokkeren, en het sensorkabelscherm moet direct op de behuizing aansluiten, niet op de versterkervloer, om grondlussen te voorkomen. Voor zeer lange kabelruns moet een externe laadconverter worden overwogen die in de buurt van de sensor wordt geplaatst die een laag-impedantiespanningssignaal levert dat minder gevoelig is voor geluid.

Op een meerlaags bord, de binnenlagen aan de grond vlakken toewijzen en ervoor zorgen dat er geen digitale signalen of schakelvermogen sporen lopen in de buurt van de analoge ingangsknoop. Indien mogelijk, gebruik een speciale analoge grond gebied dat is aangesloten op de hoofdgrond op een enkel punt. Deze star-ground aanpak voorkomt dat grondstromen van digitale circuits uit het creëren van spanningsverschillen die koppel in de laadversterker. De feedback componenten moeten worden geplaatst op de component kant om te minimaliseren via inductie. Overweeg het gebruik van SMD-componenten met lage parasitaire capaciteit . 0805 of 0-03 maten zijn goede keuzes. Elk via dat gaat door een grondvlak moet worden vergezeld van een stiksel via om lage-impedantie terugkeerpaden te behouden. Bovendien, houden ingang en output sporen gescheiden om capacitieve feedback die kunnen leiden tot oscillatie te voorkomen. Een koper pour aangesloten op de bescherming spanning kan worden geplaatst op de bovenste laag rond de ingangsknode om verdere lekkage te verminderen.

Testen, afstellen en prestatie-verificatie

Na de montage, de stabiliteit en prestaties van de versterker te bewijzen met een systematische testplan. Begin met het controleren van de voedingsspanningen en controleren op elke onbedoelde DC offset bij de uitgang die kan wijzen op oscillatie of een beschadigde ingang. Injecteer dan een bekend laadsignaal. Dit kan worden gedaan door het besturen van een kleine, gekalibreerde condensator in serie met een functiegenerator: een 1 V stap over een 10 pF condensator levert een 10 pC lading. Meet de uitvoer transiënte reactie met een oscilloscoop. Een goed-gecompenseerde versterker toont een schone exponentieel verval zonder ringen. Elke overloop groter dan een paar procent suggereert fasemarge onder 60°; de compensatie condensator kan worden verhoogd lichtjes om de respons te dempen.

De frequentierespons kan worden gemeten met een netwerkanalysator of door de ingangszingolf te vegen terwijl de uitgangsamplitude wordt gevolgd. Bevestig de .3 dB lage-cut frequentie die overeenkomt met de ontworpen Rf·C[f[] tijdconstante en dat de pass-bandwinst vlak is. Geluidsmetingen vereisen een batterij-aangedreven, afgeschermde testarmatuur om interferentie te voorkomen. Het uitgangsgeluid moet worden geregistreerd met een echte-RMS-meter of een spectrumanalysator om te controleren op onverwachte pieken. Als geluid de voorspellingen overschrijdt, moet de grondlussen worden gecontroleerd of onvoldoende ontkoppeling. Thermisch fietsen van de montage van 0 °C tot 50 °C onthult drift en voorwaartse variatie. In veel gevallen kan het toevoegen van een kleine guard-driver op het circuit de effecten van temperatuur-inducerende lekkage op het ingangsknooppunt verminderen.

Voor een grondige verificatie, meet de versterker lineariteit door het toepassen van een reeks bekende ladingen en het plotten van de output. Vervorming moet lager zijn dan

Geavanceerde technieken voor aanvragen

Bewaken en bootstrapping

Wanneer de sensor en de kabelcapaciteit groot worden, stijgt de geluidsoverlast en neemt het geluid toe. Een bootstrappingtechniek kan dit verminderen door het kabelscherm te besturen met een bufferversterker waarvan de ingang de spanning is bij de omkerende ingang (virtuele grond). Dit vermindert de effectieve kabelcapaciteit die wordt gezien door de laadversterker, waardoor de geluidsoverlast wordt verminderd. Echter, bootstrapping moet zorgvuldig worden gecompenseerd om instabiliteit te voorkomen. Ook een bewakerring op de PCB, aangedreven door een spanningsvolger aangesloten op de niet-inverterende ingang, voorkomt lekkage van nabijgelegen sporen en verbetert de DC-precisie dramatisch.

Een praktische opstartoplaadversterker gebruikt een tweede op-amp als een eenheid-gain buffer die het schild van de ingangskabel aandrijft. De buffer-uitgang is een lage impedantie replica van de omkerende ingangsspanning, die het kabelschild dwingt om de signaalgeleider te volgen. De resulterende stroom door de schildcapaciteit is bijna nul, waardoor de kabelcapaciteit effectief uit de ingangsnode wordt verwijderd. Deze techniek kan C[totaal[] verminderen met een factor 10 of meer, waardoor het geluid en de bandbreedte direct worden verbeterd. De uit-af-verhouding is de extra fase-vertraging die door de buffer wordt geïntroduceerd, die in de stabiliteitsanalyse moet worden verwerkt. Vaak moet de bufferbreedte van de laadversterkers de gesloten-lusband overschrijden door minimaal een factor 10.

Composietversterkers voor uitgebreide bandbreedte

Wanneer één op-amp de vereiste winstbandbreedte niet kan leveren en de stabiliteit niet kan behouden, paren de composietversterkers een snelle, brede op-amp met een precisie DC-stabiel apparaat. In een configuratie van de laadversterker kan een composiet de hoge ingangsimpedantie / lage biasstroom van een JFET op-amp en de hoge winstbandbreedte van een moderne hoge-snelheidsversterker bieden, wat vlakke winst oplevert tot tientallen kilohertz. Feedback wordt toegepast op beide versterkers in een geneste lus, en compensatie moet zorgvuldig worden ontworpen om een dubbelloops instabiliteit te voorkomen. Analoge apparaten applicatienotities geven gedetailleerde richtlijnen over deze architectuur.

Een gemeenschappelijke implementatie gebruikt een JFET op-amp (bijv. OPA827) als eerste fase in een transimpedantieconfiguratie, met de output die een breedbandspanningsversterker (bijv. THS3062) aanstuurt. De algemene feedback condensator C[f[ verbindt zich vanaf de uitgang van de snelle versterker terug naar de omkerende ingang van de JFET op-amp. Een kleine weerstand (10.5 Ω) in serie met het feedbackpad kan hogefrequentieresonanties dempen. Deze topologie kan bandbreedtes bereiken van meer dan 1 MHz terwijl de ingangsvoordeelstromen onder 1 pA blijven. De belangrijkste uitdaging is ervoor te zorgen dat de binnenlus (snelle versterker) stabiel blijft; dit vereist vaak een lokale compensatie condensator over zijn feedbacktraject.

Geschakelde condensatortechnieken voor zeer lage frequenties

Voor toepassingen zoals geofoons of seismische bewaking waarbij signalen tot 0,01 Hz oplopen, wordt de vereiste feedbackweerstand onpraktisch groot (teraohmbereik). Een geschakelde condensatorweerstand (SCR) kan een zeer hoge weerstand simuleren door een kleine condensator op te laden en af te voeren met een vaste frequentie. De equivalente weerstand is R[eq = 1/(fclk[·C[sc[]). Bijvoorbeeld, een 10 pF-capacitor geschakeld op 100 kHz levert een gelijkwaardige weerstand van 1 GΩ op. De klokfrequentie moet zorgvuldig worden gefilterd om te voorkomen dat deze in de signaalband wordt gekoppeld. Een laag-passfilter kan de kloktoevoer door middel van een versterker verwijderen en een zorgvuldige lay-out minimaliseert capacitieve koppeling. Ook kunnen de geschakelde-capacitortechnieken programmeerbare winst- en hoekfrequentie mogelijk maken, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor multi-channel data-innamesystemen.

Digitale compensatie en filtering

In moderne systemen kan een deel van de analoge compensatielast worden overgebracht naar het digitale domein. Na digitalisering kunnen de laadversterkers niet-idealiteiten . . zoals de hoge-doorlaathoek van Rf en Cf . . worden gecorrigeerd met een digitaal filter. Dit maakt het mogelijk kleinere terugkoppelingsweerstanden (geluidsdemping) te gebruiken terwijl de lage-frequentierespons wiskundig wordt hersteld. Ook kan een digitale servolus DC offsets zonder de thermische drift van een grote analoge weerstand tenietdoen. Deze benadering is vooral nuttig wanneer de sensor zelf een hoge-doorlaatskarakteristiek heeft die moet worden omgedraaid voor nauwkeurige statische metingen. Er moet echter op gelet worden dat het analoge fronteinde niet verzadigt wanneer digitale compensatie wordt toegepast, omdat de analoge signaalcomponenten die het ingangsbereik van de ADC kunnen overschrijden. Een band‐beperkt analogisch kunnen worden.

Eindintegratie en reële robuustheid

Zodra de versterker voldoet aan de elektrische specificaties, moet hij worden geïntegreerd in het grotere systeem. Zorg ervoor dat de behuizing zowel fysieke bescherming als elektrische afscherming biedt. Gebruik RF-dichte pakkingen als de omgeving sterke elektromagnetische velden bevat. De outputbuffer moet in staat zijn om het data-opnamesysteem te sturen en de ingangsimpedantie zonder belasting. Als signalen over lange afstanden moeten reizen, kan een differentiële outputfase worden toegevoegd om gemeenschappelijke geluidsoverlast te weigeren. Voor instrumenten met batterijaangedreven veld wordt de ruststroom een ontwerp-driver; moderne op-amps met een laag vermogen kunnen nog steeds picoamp-vooroordelen en een lage geluidsoverlast bij een stroom van minder dan 1 mA bereiken.

De temperatuurcompensatie is essentieel voor toepassingen buiten of in de industrie. De feedbackcondensator Cf moet een C0G (NP0) type zijn met een temperatuurcoëfficiënt van ±30 ppm/°C. De feedbackweerstand Rf[ kan met temperatuur driften; dikkefilmweerstanden hebben temperatuurcoëfficiënten rond ±200 ppm/°C, die aanvaardbaar kunnen zijn als de lagefrequentiehoek niet kritisch is. Voor een strakkere controle kan gebruik worden gemaakt van een op thermoistor gebaseerde compensatienetwerk of een digitale potentiometer die is ingesteld door een microcontroller die een ingebouwde temperatuursensor controleert. Bovendien kunnen ESD-beschermingsdioden aan de ingangspin >2 kV-modelontladingen verwerken, maar de lekkenstroom moet kleiner zijn dan de op-amps-vooruitvalstroom. Kleine-signale Schottky diodes (e.g., BAT54) zijn lekkage in het nanoampbereik, die te hoog kunnen zijn; de ESD-beschermingsmodules aan de ingangspin kunnen ook een hogere waarde van >2 kV-voorkomen.

Tot slot documenteert u de kalibratieprocedure: past u een bekende mechanische excitatie toe op de sensor, registreert u de versterkeruitgang en leidt u een gevoeligheidswaarde af die de gehele signaalketen omvat. Deze eind-tot-eind-kalibratie zorgt ervoor dat alle variaties in de tolerantie van de versterker tot de bekabeling worden verantwoord, waardoor de nauwkeurigheid van de versterker wordt nagegaan. Voor multikanaalsystemen kalibreert u elk kanaal afzonderlijk en slaat u de coëfficiënten in het niet-vluchtig geheugen op. Een stabiele, hoge-energie-elektrische versterker komt niet voort uit een enkele slimme componentkeuze, maar uit de zorgvuldige orkestratie van topologie, op-amp selectie, feedbackcompensatie, lay-out en robuuste testen. Door het respecteren van de hoge-impedantie- en de versterkerbreedte kunnen ontwerpers een herhalings- en geluidsoverlast bereiken over verschillende orden van omvang in frequentie, waardoor nauwkeurige metingen van dynamische mechanische gebeurtenissen mogelijk zijn in alles, van structurele gezondheidsmonitors tot seismische toevallen.