Проектирование активных мостовых схем с помощью усилителей Op для измерения импеданса

Измерение импеданса является краеугольным камнем электротехники, позволяющим характеризовать компоненты, материалы и биологические ткани. Традиционные мостовые цепи, такие как мост Уитстона, предлагают метод нулевого баланса с хорошей точностью, но страдают от ограничений при измерении очень высоких или очень низких импедансов или когда сигналы малы. Активные мостовые цепи, которые включают в себя операционные усилители (op amps), преодолевают эти ограничения, обеспечивая усиление, буферизацию и активную балансировку. В этой статье рассматриваются принципы проектирования, практические соображения и приложения активных мостовых цепей для точного измерения импеданса.

Понимание активных мостовых схем

Активная мостовая цепь представляет собой замкнутую систему, которая использует одну или несколько операционных усилителей для поддержания сбалансированного состояния или для усиления выходного сигнала моста для прямого измерения. В отличие от пассивного моста Уитстона, где дисбаланс обнаруживается как разность напряжений, активный мост может автоматически заставлять нулевое состояние, или он может линейно переводить изменения импеданса в выходное напряжение. Это делает активные мосты идеальными для измерений в реальном времени с высоким разрешением в широком диапазоне частот.

От Уитстона до активных мостов

Классический мост Уитстона состоит из четырёх импедансных рычагов, источника возбуждения постоянного тока или переменного тока и нулевого детектора. Баланс возникает, когда соотношение двух соседних рычагов равно соотношению двух противоположных. Пассивный мост прост, но имеет недостатки:

• Ограниченная чувствительность для небольших изменений импеданса, если детектор не является высокочувствительным.
• Эффекты загрузки от детектора, которые могут искажать состояние баланса.
• Ограничения частоты из-за бродячей емкости и индуктивности.

Активные мосты решают эти проблемы, включая усилители op для буферизации сигналов, обнуляя мост или обеспечивая обратную связь.Высокое входное импеданс усилителя op минимизирует загрузку, и его усиление может поднять небольшие сигналы ошибок до измеримых уровней.

Ключевые компоненты активного моста

Типичная активная схема моста для измерения импеданса включает в себя:

• Знаемое эталонное импеданс — прецизионный резистор, конденсатор или индуктивность (часто переключаемый для многодиапазонных измерений).
• Неизвестный импеданс (Z_x) — устройство или материал, подвергаемый испытанию.
• Один или более операционных усилителей — используются в конфигурациях, таких как разностные усилители, интеграторы или усилители трансимпеданса.
• Источник возбуждения — генератор сигналов переменного тока (синеволновой) для измерения импеданса или источник постоянного тока для измерения чистого сопротивления.Остойчивость и чистота частоты имеют решающее значение для точности.
• Схема кондиционирования сигнала — фильтры, фазовые детекторы и аналого-цифровые преобразователи для обработки выходного сигнала моста.

Принципы проектирования активных мостовых схем

Основная цель любой мостовой схемы — установить связь между известными и неизвестными компонентами.В активном мостике усилитель op обеспечивает виртуальное нулевое состояние или усиливает сигнал ошибки таким образом, что значения компонентов могут быть получены из уравнений схемы.

Состояние баланса и функция переноса

В простом активном мосте с использованием усилителя оптики в дифференциальной конфигурации выходное напряжение пропорционально дисбалансу моста. Например, рассмотрим полумост с двумя известными импедансами Z₁ и Z₂ и одним неизвестным Z_x по сравнению со стандартным Z_ref. Оп ампер вынуждает свои инвертирующие и неинвертирующие входы быть равными (виртуально короткими), дающими передаточную функцию:

V_out = [Z_ref / Z₁ — Z_x/Z₂возбуждение _×]

В равновесии V_out = 0, поэтому Z_x =[Z₂/Z₁ref_{. Это нулевое условие может быть достигнуто путём регулировки либо импеданса отсчёта, либо соотношения известных рукавов, часто выполняемого автоматически в современных LCR-метрах.}

Роль Op Amps в цепи

Оп-амперы выполняют несколько важных функций в активных конструкциях мостов:

• Усиление небольших сигналов ошибок — Разница между мостовыми рукавами часто находится в диапазоне микровольт-милливольт. Низкий шум, высокодоходный усилитель оптики может повысить этот сигнал до уровня, подходящего для дальнейшей обработки.
• Обеспечение буферизации — Высокое входное сопротивление усилителя опоры предотвращает загрузку мостовых рычагов, что в противном случае нарушало бы состояние баланса и вводило ошибки.
• Включение точной балансировки — В системе нулевого поиска выход усилителя оптики может приводить в действие элемент переменного импеданса (например, цифровой потенциометр) для автоматического достижения и поддержания баланса.
• Снижение паразитарных эффектов — Обратная связь вокруг усилителя оптического действия может компенсировать бродячую емкость или индуктивность в структуре моста, расширяя используемый частотный диапазон.

Для высокочастотных измерений необходимы операционные усилители с высоким коэффициентом усиления (GBW) и достаточной скоростью убойного стреловидного потока. Примеры включают AD8429 от аналоговых устройств для точных измерений постоянного тока и OPA855 от Texas Instruments для высокоскоростных приложений переменного тока.

Проектирование для точных измерений

Точные измерения импеданса с помощью активных мостов требуют тщательного внимания к нескольким взаимосвязанным факторам. Следующие соображения конструкции имеют решающее значение для достижения повторяемых, надежных результатов.

Частотные эффекты и пропускная способность

Импеданс частотно-зависим для реактивных компонентов. Частота возбуждения моста должна выбираться на основе предполагаемого диапазона работы компонента и возможностей операционного усилителя. На высоких частотах фазовый сдвиг операционного усилителя, ограничения скорости разбиения и паразитарная емкость могут вводить значительные ошибки. Общее решение заключается в использовании специального усилителя блокировки или сетевого анализатора фронтального конца, который использует фазово-чувствительное обнаружение. Для частот выше 1 МГц часто используются специализированные квадратурные детекторы или цифровое нисходящее преобразование.

Частотные ошибки могут быть сведены к минимуму:

• Выбор усилителей op с GBW, по крайней мере, в 10 раз превышающей максимальную частоту возбуждения.
• Использование методов компоновки ПХБ, которые уменьшают паразитную емкость (например, защитные кольца, контролируемые следы импеданса).
• Калибровка моста на нескольких частотах для характеристики систематической фазы и усиления отклонений.

Критерии выбора Op Amp

Выбор усилителя оперативной операции напрямую влияет на точность измерений.

• Вводное напряжение смещения (V_]os) — вызывает смещение постоянного тока, которое может насыщать усилитель или быть неверно истолковано как изменение импеданса. Авто-ноль или стабилизированные вертолетом операционные усилители (например, LTC2057) предлагают сверхнизкое смещение (субмикровольт).
• Ток смещения входа (I_b) — протекает через импедансы моста, создавая дополнительные падения напряжения.Для измерений высокого давления (>1 MΩ) требуются усилители FET-входа (например, OPA140) с токами смещения фемтоампера.
• Плотность шума — мерцающий шум (1/f) и белый шум ограничивают минимальное обнаруживаемое изменение импеданса. Для чувствительных измерений рекомендуются усилители с низким уровнем шума, подобные AD8597.
• Напряжение подачи и качание выходного сигнала — должны соответствовать динамическому диапазону выходного сигнала моста без обрезки.

Компонентная толерантность и стабильность температуры

Известные эталонные импедансы должны иметь низкую толерантность (например, 0,01% или выше) и низкий температурный коэффициент (TCR < 10 ppm/°C). Обычно используются резисторы с проволочной или тонкопленочной конструкцией. Для емкостных или индуктивных мостов необходимы стандартные конденсаторы и индукторы с определенными факторами качества (Q). Все пассивные компоненты должны выбираться в соответствии с частотой измерения; например, пленочные конденсаторы предпочтительнее керамических для низких потерь на более высоких частотах.

Калибровка и минимизация ошибок

Даже при тщательной конструкции необходимо исправлять систематические ошибки, обусловленные несоответствием компонентов, смещенными напряжениями и бродячими паразитами. Калибровка является неотъемлемой частью любой системы измерения прецизионного импеданса.

Стандарты и процедуры калибровки

Типичная калибровка использует три известных стандарта для характеристики системы измерений в требуемом диапазоне частот:

• Калибровка по открытой цепи — измеряет бренную емкость и утечку в испытательном порту.
• Короткоцепочечная калибровка — измеряет остаточную индуктивность и сопротивление выводов испытания.
• Калибровка нагрузки — использует известное импедансное сопротивление (например, прецизионный резистор 100 Ом) для установки эталонной величины и фазы.

Эти калибровочные данные используются для вычисления векторов коррекции ошибок, которые применяются в реальном времени при измерении.Многие LCR-метры и импеданс-анализаторы выполняют эту коррекцию автоматически.

Оффсет и дрифт компенсация

Оп ампер смещения напряжения дрейф с температурой и временем. Методы минимизации дрейфа включают:

• Использование стабилизированного или автоматического усилителя.
• Внедрение фиктивного мостового канала, который соответствует пути измерения, но с известным импедансом, затем вычитание выходов (дифференциальное измерение).
• - выполнение периодических циклов автокалибровки (например, перед каждым заданием измерения).

Для снижения электромагнитных помех (ЭМИ) и паразитных емкостей необходимо также заслонять мост и испытательный прибор. Для очень высоких импедансов (> 1 MΩ) методы защитного вождения, при которых буфер напряжения низкого давления приводит в действие щит, эффективно устраняют токи утечки.

Продвинутые активные мостовые топологии

Хотя основной активный мост часто реализуется в качестве дифференциального усилителя через полумост, несколько специализированных топологий предлагают преимущества для конкретных приложений.

Мосты Wien Bridge и AC Bridges

Мост Вина, обычно используемый для измерения емкости, включает усилитель оптики для поддержания условий колебаний или для обнуления моста. Активный мост Вина может обеспечить высокую линейность в течение нескольких десятилетий емкости. Аналогично, мост Максвелла и мост Шеринга, при усилении усилителями оп, позволяют точно измерять индуктивность и коэффициент потери (фактор рассеивания).

Автобалансирующий мост

Современные LCR-метры обычно используют мост автобалансировки (также называемый мостом преобразователя тока к напряжению). В этой топологии неизвестный импеданс Z_x приводится в действие источником напряжения переменного тока, а ток через Z_x измеряется усилителем трансимпеданса_f. Выходное напряжение V_outxf_f. Измеряя амплитуду и фазу V_out относительно возбуждения, сложное импедансное напряжение может быть вычислено без ручной балансировки. Эта конструкция предлагает широкий диапазон частот (до 100 МГц с тщательным выбором усилителя) и высокую точность (0,1% или лучше).

Мост с цифровой обратной связью

Для автоматизированного испытательного оборудования состояние мостового баланса может быть достигнуто цифровым способом. Цифровой аналоговый преобразователь (DAC) приводит в действие сеть переменного импеданса (например, умножая DAC с массивом резисторов) под управлением микроконтроллера. Выход усилителя оптики отбирается ADC, и микроконтроллер регулирует DAC до тех пор, пока выход не будет обесточен. Такой подход устраняет необходимость в точных регулируемых компонентах и позволяет проводить быстрые многочастотные измерения.

Использование активных мостовых схем

Гибкость и точность активных мостовых схем делают их незаменимыми во многих областях. Ниже приведены репрезентативные приложения с практическими соображениями.

Анализ материальной собственности

Диэлектрическая спектроскопия измеряет проницаемость и проводимость материалов в зависимости от частоты. Активные мосты используются для характеристики полимеров, керамики и биологических тканей. Например, конденсатор с параллельной пластиной с образцом в качестве диэлектрика соединен в виде неизвестного импеданса. Активный мост может измерять изменения емкости до 1 fF и значений tan(δ) до 0,0001, что позволяет изучать процессы релаксации и содержание влаги.

Биосенсор и биомедицинский импеданс

Анализ биоимпеданса (BIA) использует токи переменного тока низкого уровня (обычно от 50 мкА до 500 мкА на частотах от 1 кГц до 1 МГц) для измерения состава тела. Активные мостовые цепи в устройствах BIA часто используют автобалансирующую топологию для обработки широкого диапазона импедансов (от 100 Ω до 1 кОм для всего тела, до нескольких MΩ для контакта с электродом). Высокое входное импеданс усилителя оптического действия минимизирует ток, шунтирующий через кожу, а усиление усиливает резистивные и реактивные компоненты. Активные мосты также используются в системах электроимпедансной томографии (EIT), где последовательно адресуются несколько электродов, требующих быстрого оседания и низкого шума.

Калибровка датчиков и тестирование компонентов

Производственные испытательные системы для резисторов, конденсаторов, индукторов и датчиков (например, терморезисторов, тензодатчиков) полагаются на активные мосты. Например, тензодатчик в конфигурации полумоста с усилителем дифференциала усилителя усилителя оптического усилителя может обнаруживать изменения микродеформации. Выход моста прямо пропорционален изменению сопротивления, что позволяет проводить простую калибровку со стандартами веса или смещения. Активные мосты также образуют сердце многих LCR-метров, используемых в производственных линиях.

Емкостный сенсорный интерфейс

Емкостные датчики для близости, давления или влажности часто требуют измерения изменений емкости в фемтофараде до диапазона пикофарада. Активный мост может быть спроектирован с использованием усилителя оптики в конфигурации конвертера емкости-на-напряжение (CVC), где датчик образует одну руку моста. Выход моста демодулируется с помощью фазово-чувствительного детектора для извлечения емкостного компонента, эффективно отбрасывая бродячую емкость. Этот подход распространен в ИС считывания емкости высокого разрешения .

Активные мостовые схемы используют возможности высокого входного импеданса, усиления и обратной связи операционных усилителей для достижения измерений импеданса, которые являются точными и гибкими. Понимая условия баланса, выбирая соответствующие компоненты и применяя строгую калибровку, инженеры могут проектировать системы, которые работают от постоянного тока до радиочастот, измеряя импедансы от миллиомов до тераомов. Основные принципы, обсуждаемые здесь, применяются к широкому спектру применений, от материаловедения до медицинской диагностики. Для дальнейшего чтения обратитесь к подробным заметкам приложений от Аналоговых устройств и Техасские приборы .