Impedance ölçüm için Op Amps ile Aktif Köprü Devreleri Tasarlamak

Impedance ölçümü, elektrik mühendisliğinin temel taşıdır, bileşenleri, malzemeleri ve biyolojik dokular. Geleneksel köprü devreleri, Buğday köprüsü gibi, iyi bir doğrulukla sınırlı değildir, ancak çok yüksek veya çok düşük boşlukları ölçtüğünde veya sabit sinyal devreleri içeren küçük. Aktif köprü devreleri içerir, bu sınırlamaları amplifikasyon sağlayarak, bu sınırlamaları yanlışlaştırma, tamponlama ve aktif dengeleme yöntemi sunar.

Aktif Köprü Devrelerini Anlamak

Aktif bir köprü devresi, bir veya daha fazla amplif kullanan kapalı bir sistemdir, dengeli bir koşula sahip olmak veya köprünün çıktı sinyalini doğrudan ölçüm için optimize etmek. pasif bir Buğday köprünün aksine, dengesizliğin bir gerilim farkı olarak tespit edildiği yerde, aktif bir köprünün null koşulu otomatik olarak zorlayabilir veya lineer olarak çevirebilir.Bu, gerçek zamanlı olarak, yüksek çözünürlüklü ölçümler için ideal kılar.

Buğdaystone'dan Aktif Köprülere

Klasik Buğday köprüsü dört dürtü kolundan oluşur, bir DC veya AC excitation kaynağı ve bir null deküresel olarak denge iki kol oranının tam tersi iki kolun oranını eşitlendiğinde gerçekleşir.

• [FONT:0)Limited hassasiyet[[Dönetici) Dektör çok hassas olmadıkça küçük dürtüsel değişiklikler için.
• [FONT:0)Loading etkiler[[Döneticiden akıp giden, denge koşulundan vazgeçebilen bir deyim.
• [FONT=0)Sekiz kısıtlamalar[[Dönetici: 1)

Aktif köprüler bu konuları, amplitüd sinyallerine dahil ederek ele alır, köprüyü çıplak tutar veya geri bildirim sağlar.Af amp'in yüksek giriş yükünü en aza indirir ve kazancı ölçülebilir seviyelere küçük hata sinyalleri yükseltebilir.

Aktif bir köprünün Anahtarları

Kesirli ölçüm için tipik bir aktif köprü devresi şunları içerir:

• [FONT:0)Bilginin ([Dönetici) bir hassas direnç, kapasitör veya inductor (çok çeşitli ölçümler için geçiş yapılabilir).
• [FONT:0)Bililme (Z_{)[Dönetici:2).[Dönetici:2).[Dönetici:0)[Dönetici:0))}
• [FONT:0]Bir veya daha fazla operasyonel yükselteçler[Dönetici: 1) - fark yükselticileri, bütünleştiriciler veya transimpedans yükselteçleri gibi konfigürasyonlarda kullanılır.
• [[Düzücü kaynağı [[[Dönlendirme kaynağı)[[[Dönder:0)) - Doğrusal ölçüm için AC sinyal jeneratörü (sikro dalga) veya saf direnç ölçümü için DC kaynağı. Frekans istikrarı ve saflık doğruluk için kritiktir.
• [FONTD:0)Signal koşullu devreler) - filtreler, faz dedektörleri ve köprüyü işleme için analog sayısal dönüştürücüler.

Aktif Köprü Devrelerinin Tasarım Prensipleri

Herhangi bir köprü devresinin temel amacı, bilinen ve bilinmeyen bileşenler arasında bir ilişki kurmaktır. Aktif bir köprüde, af amp, bu tür bir sanal null koşulu sağlar veya bileşen değerlerinin devre denklemlerinden elde edilebilir olduğu gibi hata sinyalini basitleştirir.

Denge ve Transfer Fonksiyonlar

Basit bir aktif köprüde, bir fark yapılandırmasında bir af amp kullanarak, çıktı gerilimi köprünün dengesizliğine orantılıdır. Örneğin, iki bilinen bir Z_{) ) ve Z )[Dönemli olmayan girişler eşitlemez) ile karşılaştırıldığında yarı-Bahçelikli bir transfere kıyasla, [Düzücükler)[Dönemli bir şekilde yapılır.}

[FONT:0)V[DÜDÜDÜDÜDÜ:2)[Üye: 3)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye) × (DÜye)[Üye/Üye/Üye)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)

Dengede V_{))) × Z)) = (Z)[Dönemli kolların oranı veya genellikle modern LCR metrede otomatik olarak yapılır.}

Ops'ın Rolü Devrede Gerçek

Op amps aktif köprü tasarımlarında çok önemli fonksiyonlara hizmet eder:

• [FONT:0] Küçük hata sinyalleri[Dönetici: 1) Köprü kolları arasındaki fark genellikle düşük çözünürlükte, yüksek getiri amplitübünü daha fazla işleme için uygun bir seviyeye yükseltebilir.
• [FONT:0)Providing buffering[[Dönetici: 1 ) – Af amplifiğin yüksek girişi, aksi takdirde denge durumunu bozar ve hataları ortaya koyar.
• [FONT:0]Enabling kesin dengeleme) - Bir null-seeking sisteminde, af amplitüdlüt (e.g, dijital güçlü birometre) otomatik olarak elde etmek ve korumak için değişken bir engel oluşturabilir.
• [FONT:0) Parasitik etkileri azaltmak [[Dönetici: 1)) - Af amplitüdün geri kalanı köprü yapısında çekim veya indükleme için telafi edilebilir frekans aralığına kadar uzatılabilir.

Yüksek frekanslı ölçümler için, yüksek performanslı ürün (GBW) ile artırılmış artırılmış ve yeterli slew oranı önemlidir. Örnekler AD8429'u hassas DC ölçümler ve OPA855'ten Texas Instruments'tan yüksek hızlı AC uygulamaları için içerir.

Doğru ölçümler için tasarım göz önünde bulundurun

Aktif köprülerle doğru dürtü ölçümü, birkaç ilgili faktöre dikkat gerektirir. Aşağıdaki tasarım değerlendirmeleri tekrarlanabilir, güvenilir sonuçlar elde etmek için kritiktir.

Frekans Etkileri ve Band genişlik

Impedance, reaktif bileşenler için frekansa bağlıdır. Köprü excitation frekansı, işletim aralığına ve artırılmış amp's yeteneklerinin üzerinde seçilmelidir. yüksek frekanslarda, op amp faz değişimi, slew oranı sınırlamaları ve parasitic kapasitance önemli hataları tanıtabilir. Ortak bir çözüm, belirli bir kilit-in amplifikatör veya ağ analiz cihazı kullanarak ön uçları kullanarak, 1 MHz'in üzerinde frekanslar için, uzman kuature dedektörleri veya dijital alt-konversiyonlar genellikle kullanılır.

[FONT:0]Süresel olmayan hatalar[Dönetici:0)

• Bir GBW ile a ampseçmek en az 10 kez en yüksek alıntı frekansı.
• Parasitik kapasitance azaltan PCB düzeni tekniklerini kullanarak (örneğin, bekçi halkaları, kontrollü yönlendirme izlerini).
• Köprüyü birden çok frekansta sistematik fazı karakterize etmek ve sapmalar kazanmak için hapse atmak.

Op Seçici Kriterleri

Artırılmış amplif seçimi doğrudan ölçüm doğruluğunu etkiler. Anahtar parametreler dikkate almak:

• [FONT=0)Input Boşluk (V[DÜDÜ:2)[DÜDÜ:2)[DÜDÜDÜye Olmayanlar İçindekiler:0) Bir DC dengelemesine neden olabilir veya bir yük devre dışı olarak yanlış yorumlanır. Auto-zero veya chopper-stabilized ops (e.g., LTC2057) ultra-düşük denge (sub-mikrovolt).
• [FONT=0)Input önyargı akım (I₎)[Döneticileri ile birlikte köprünün içinden akışlar, yüksek hacimli ölçümler (>1 MULL), FET-input ops (e.g., OPA140)
• [FONT:0]Mate yoğunluğu[[Dönetici:0)[[Dönetici:0))[[Dönetici: 0) ve beyaz gürültü minimum tespit edilebilir yetersizlik değişimi ile sınırlanır.
• [FONT:0)Supply voltaj ve çıkış hızı) - patlama olmadan köprünün dinamik yelpazesini karşılamalıdır.

Soğutmalar ve Sıcaklık Stability

Bilinen referanslar düşük toleransa sahip olmalıdır (örneğin,% 0.0 veya daha iyi) ve düşük sıcaklık katsayı (TCR < 10 ppm/°C) Dirençli veya daha düşük frekanslı inşaatlar için lensler tercih edilir.

Kalibrasyon ve Hata Minimization

Dikkatli tasarımla bile, bileşen yanlış eşleştirme nedeniyle sistematik hatalar, dengeleme gerilimleri ve stray parasitics düzeltilmesi gerekir. Kalibrasyon herhangi bir hassas kesinti ölçüm sisteminin ayrılmaz bir parçasıdır.

Kalibrasyon Standartları ve Prosedürleri

Tipik bir kalibrasyon, istenen frekans aralığı üzerindeki ölçüm sistemini karakterize etmek için üç bilinen standart kullanır:

• [FONT:0) Açık-circuit kalibrasyon[Dönetici:0)[Dönetici:0) Test limanında çekim ve sızıntı önlemleri.
• [FONT:0]Short-circuit kalibrasyon[[Dönetici: 1)) – testin gerisinde kalan ve direnişi yol açar.
• [FONT=0]Load kalibrasyon[[Dönetici: 1) Bilinen bir referansı (örneğin, 100 TEL hassas bir direnç) boyut ve faz referansını belirlemek için kullanır.

Bu kalibrasyon verileri, ölçüm sırasında gerçek zamanlı olarak uygulanan hata düzeltme vektörleri hesaplamak için kullanılır. Birçok LCR metre ve analizciler bu düzeltmeyi otomatik olarak gerçekleştirirler.

Offset ve Drift Compensation

Op amp dengeleme gerilimleri sıcaklık ve zaman ile sürüklenir. Teknikler en aza indirmek için:

• Bir chopper-stabilized veya oto-zero yükselticisi kullanarak.
• Ölçme yolunu oynayan bir dummy köprü kanalını uygulama, ancak bilinen bir engelle, sonra çıktıları (farklı ölçüm) çıkarın.
• Haftak üzere oto-kalibrasyon döngüleri (örneğin her ölçüm koşmadan önce).

Köprü ve test fikstürü ayrıca elektromanyetik müdahaleyi azaltmak için de gereklidir (EMI) ve parasitik kapasitanslar için (>1 MULL), koruyucu sürüş teknikleri - düşük eksenli bir gerilim tamponu sürücülerinin bir kısmı - etkisiz olarak sızıntı akımlarını ortadan kaldırır.

Gelişmiş Active Bridge Topologys

Temel aktif köprü genellikle yarı-bridge'de bir ayırıcı yükselteç olarak uygulanırken, birkaç uzman topoloji belirli uygulamalar için avantaj sunar.

Wien Bridge ve AC Bridges

Wien köprüsü, genellikle kapasitance ölçümü için kullanılır, amplifikasyon koşullarını korumak veya köprüyü çıplaklaştırmak için bir amplitüd içerir. Aktif Wien köprüsü birkaç on yıl boyunca yüksek doğrusallık sağlayabilir. Benzer şekilde, Maxwell köprü ve Schering köprüyü, amplifikasyon ve kayıp faktörü ile geliştirilmiş olan zaman.

Auto-Balancing Bridge

Modern LplCR metre genellikle otomatik olarak bir köprüyü kullanıyor (ayrıca şu anki gerilim dönüştürücü bir köprü olarak da adlandırılır).Bu topolojide, bilinmeyen bir dürtü Z_{)x[FLT)[D[Dönetici)[Döneticileri ölçtü (Dönetici)[Döneticileri/veya s.}

Digital Feedback ile Bridge with Digital Feedback

Otomatik test ekipmanları için, köprü dengesi koşulu dijital olarak elde edilebilir. Bir dijital-analog dönüştürücü (DAC) değişken bir engelleyici ağı (örneğin, hassas ayarlanabilir bileşenlerle DAC'yi çoğaltmak ve bir dizi kontrol ile çoğaltmak için.

Aktif Köprü Devrelerinin Uygulamaları

Aktif köprü devrelerinin esnekliği ve hassasiyeti onları birçok alanda vazgeçilmez hale getirir. Aşağıda pratik düşüncelerle temsilci uygulamaları vardır.

Malzeme Analizi

Dielektrik spektroskopi, malzemelerin frekans işlevi olarak kontrol edilmesi ve iletkenliği ölçer. Aktif köprüler polimerleri, seramikleri ve biyolojik dokuları karakterize etmek için kullanılır. Örneğin, paralel bir plaka kapasitör, örnek olarak, aktif köprünün aktif bir şekilde değiştirilmesi gibi bağlantılıdır.

Biosensor ve Biomedical Impedance

Biyo-simpedans analizi (BIA), yüksek seviyeli AC akımlarını (tipik olarak 50 μA'yı 1 kHz'den 1 MHz'ye kadar) vücut kompozisyonunu ölçmek için, BIA cihazlarında aktif köprü devrelerini genellikle geniş bir şekilde ele almak için bir oto-balancing topoloji kullanır (örneğin, tüm vücut için 1 kULL'ye kadar elektrotiğe kadar elektrotiğe kadar) ve yüksek giriş engelleyici sistemlere karşı dayanıklıdır.

Sensör Kalibrasyon ve Bitirme Testi

Dayanıklılık testi sistemleri, kapasitörler, indüktörler ve sensörler (örneğin, sabit veya yerinden edilme standartları ile basit kalibrasyona izin vermek) aktif köprüler için. Örneğin, bir amplifatör ile bir yarı-bridge yapılandırması, mikro-söpücü değişiklikleri tespit edebilir. köprü çıkışı doğrudan direniş değişikliğine göre orantılıdır.

Capacitive Sensör Interface

Yakınlık, baskı veya nem için yetenek sensörleri genellikle köprünün bir kolu oluşturur. Aktif bir köprü, kapasitif bileşeni çıkarmak için bir aşamaya duyarlı bir dedektörleri ile tasarlanmıştır.Bu yaklaşım, yüksek çözünürlükte sabitlenebilir.

Pratik Tasarım Örneği: Basit Bir Aktif Capacitance Bridge

Tasarım kavramlarını göstermek için, küçük kapasitelileri ölçmek için bir devre düşünün (1 pF ila 100 pF) 10 kHz.

• [FONT:0)Op amp[[[DÜDÜT:1): OPA140 (düşük önyargı mevcut, GBW = 11 MHz) 10 kHz'de yükleme ve korumayı en aza indirmek için.
• [FONT=0)Reference cleor[[DÜT:2) C[DÜDÜ:2)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜN, ±0.5%, NP0 Seramik (düşük)
• [FONT:0)Resistörler[DÜDÜT:1): R_{)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ) = 10 kULLY% 0.1 tolerans. Bu form direnç oranı kolları.}
• [FONT:0)Excitation[[DÜT:1): 1 V_{)[Dönetici:0) Bir sinyal jeneratörü (örneğin AD9833 DDS modülünden ak.}
• [FONT:0]Output[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

Devre aşağıdaki gibi çalışır: köprü C_)x) = C_{)[Dönetici[Dönetici: 4 ), V[FLT: 4) için bir gerilim ölçüm yapar.[D) Herhangi bir sapma, bilinen kapasitörlerle (örneğin, 1 pF, 10 pF, 100 pF) arasındaki fark eder.}

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Aktif köprü devreleri yüksek girdiyi gereksiz yere, DC'den radyo frekanslarına kadar çalışan sistemlere ve geri bildirim yeteneklerinin hem hassas hem de esnek olan ölçümlere ulaşması için elde edilir.Bilge koşulları, uygun bileşenleri seçerek ve titiz kalibrasyonları uygulama, mühendisler DC'den radyo frekanslarına kadar uzanan sistemleri tasarlayabilirler.[4]