Per maker e ingegneri: approfondire le conoscenze sugli amplificatori strumentali per l'acquisizione accurata di dati IoT

Il rilevamento è il punto da cui iniziano Internet delle cose (IoT) e la casa intelligente, ed è qui che gli hobbisti, i produttori e persino i progettisti professionisti incontrano il loro primo ostacolo. Molti trasduttori economici come accelerometri, sensori di forza, estensimetri e trasduttori di pressione sono basati sui ponti resistivi di Wheatstone, quindi le loro uscite sono tensioni differenziali nell'ordine dei millivolt.

Prima di proseguire, questi segnali di basso livello devono essere accuratamente catturati e amplificati per portarli a livelli compatibili con i convertitori analogico/digitali (ADC) a microprocessore senza introdurre offset c.c. e rumore. Allo stesso modo, la corrente di rilevamento che utilizza shunt di corrente high-side richiede amplificatori che non hanno ingressi di riferimento a terra e possono tollerare tensioni di modo comune elevate.

Per garantire che i dati acquisiti siano precisi, i maker e gli hobbisti devono prendere dimestichezza con l'amplificatore strumentale (INA). Si tratta di un amplificatore differenziale bilanciato con guadagno facilmente controllabile, deriva di offset bassa e capacità di cancellazione del rumore. È un componente normalmente abbinato ai trasduttori a basso costo nelle applicazioni di controllo domestiche. Inoltre, avendo due ingressi ad alta impedenza non riferiti a terra, è ideale anche per tutti i tipi di misurazioni differenziali non lineari.

Questo articolo descrive la catena di segnali da sensore a processore e la necessità di reiezione di modo comune, accuratezza e stabilità a livello di stadio dell'amplificatore. Quindi introdurrà sensori e INA idonei e indicherà come utilizzarli.

Trasduttori piezoresistivi

Una delle famiglie più diffuse di trasduttori è quella che utilizza elementi piezoresistivi. Tra le tante possibili applicazioni, vengono usati per misurare sforzo, forza, accelerazione e pressione.

Agli elementi meccanici del trasduttore vengono fissati componenti piezoresistivi miniaturizzati. Questi elementi possono essere sotto forma di barre, piastre, molle o diaframmi. Il parametro desiderato che viene rilevato provoca la deformazione della struttura meccanica. Gli elementi piezoresistivi subiscono una tensione proporzionale al parametro rilevato che ne modifica la resistenza elettrica.

La resistenza dell'elemento piezoresistivo è tipicamente parte di una configurazione circuitale a ponte di Wheatstone (Figura 1). Se la tensione di ingresso al ponte è fissa e tutti e quattro i resistori hanno lo stesso valore, allora il ponte è detto bilanciato e la tensione di uscita V_OUT è zero.

Figura 1: In un ponte di Wheatstone, il trasduttore è in genere uno dei quattro elementi resistivi. Poiché la sua resistenza varia in funzione della pressione o di altre forze, la tensione di uscita cambia proporzionalmente. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Nella Figura 1, R4 rappresenta il trasduttore. Cambiamenti di pressione (o di un altro parametro misurato) fanno sì che la struttura meccanica e i resistori subiscano una sollecitazione, determinando una variazione della resistenza elettrica dei piezoresistori. Di conseguenza la resistenza del trasduttore cambia dal suo valore nominale in proporzione alla pressione applicata. A sua volta, l'uscita del ponte, V_OUT, è una tensione proporzionale alla variazione di resistenza e quindi alla pressione dell'elemento sensore.

È importante notare che V_OUT si trova a un potenziale che nominalmente è la metà di V_IN. Questa è la tensione del segnale di modo comune. Per un trasduttore con una tensione di fondo scala di 50 mV, un incremento di tensione dell'1% è pari a 0,5 mV. Se questo si trova su un livello di modo comune a 2 V, il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) deve essere di 72 dB per risolvere la variazione di tensione.

Il modello MPX2050DP di NXP Semiconductors è un trasduttore di pressione a doppia porta da 50 kPa (7,5 psi) che fornisce un livello di segnale di uscita a fondo scala di 40 mV (Figura 2). La configurazione a doppia porta consente la misurazione di pressione differenziale o relativa (riferita alla pressione atmosferica).

Figura 2: Il modello MPX2050DP di NXP Semiconductors è un trasduttore di pressione a doppia porta piezoresistivo da 50 kPa (7,5 psi) con un segnale di uscita a fondo scala di 40 mV. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

I trasduttori commerciali incorporano reti di compensazione della temperatura per assicurare che rispondano solo al parametro desiderato e non alle variazioni nell'ambiente del trasduttore.

Il modello FX1901-0001-0050-L di TE Connectivity è un sensore di forza di compressione piezoresistivo con una portata di 22,68 kgf (50 lbf). Questo sensore misura la forza anziché la pressione, ma utilizza una topologia di misurazione simile al ponte di Wheatstone come quella di un trasduttore di pressione. Ha una sensibilità di 20 mV/V, quindi per un'alimentazione a 5 V la sensibilità di carico a fondo scala è di 100 mV.

La caratteristica comune tra questi trasduttori è che i loro livelli di uscita differenziali sono nell'ordine di millivolt, il che richiede un'amplificazione per essere utilizzati con ADC. Questo è il ruolo dell'amplificatore strumentale (INA).

Amplificatore strumentale

Un INA è un amplificatore differenziale basato sulla tecnologia dell'amplificatore operazionale. Ha ingressi differenziali e un'uscita single-ended. Poiché è un amplificatore differenziale, ha la capacità di attenuare i segnali di modo comune. Questo risultato viene raggiunto secondo la specifica nota come CMRR, menzionata in precedenza. Ciò lo rende ideale per amplificare piccoli segnali in presenza di grandi segnali o offset di modo comune. Inoltre, gli INA sono caratterizzati da guadagno stabile e preciso che può essere facilmente regolato, alta impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita.

Esistono due topologie di circuito comuni utilizzate per gli INA. La più diffusa è quella a tre amplificatori operazionali mostrata in Figura 3. In questa configurazione circuitale gli amplificatori U1 e U2 sono buffer di ingresso non invertenti. Alimentano U3, che è un amplificatore differenziale. Il guadagno dell'INA è impostato principalmente con il resistore R_G. L'ingresso di riferimento, che di solito è messo a terra quando non in uso, controlla il livello di tensione di offset di uscita. L'ingresso di rilevamento può essere usato per variare il guadagno dell'uscita dell'amplificatore differenziale. Quando non utilizzato, è legato all'uscita dello stadio di differenza.

Figura 3: La configurazione a tre amplificatori operazionali di un INA di solito ha un CMRR c.a. più alto rispetto a una versione a due amplificatori operazionali. Il guadagno è determinato da R_G. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

È anche possibile ridurre il numero di amplificatori operazionali richiesti usando la topologia a due amplificatori (Figura 4).

Figura 4: La configurazione a due amplificatori operazionali di un INA consente di risparmiare sui costi e sul consumo energetico. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Questa topologia circuitale utilizza solo due amplificatori operazionali e offre un risparmio in termini di costi e consumo energetico. La configurazione non simmetrica del circuito a due amplificatori operazionali può causare diversi problemi che limitano l'utilità del circuito. In particolare, può ridurre il CMRR c.a. rispetto all'utilizzo di tre amplificatori operazionali.

INA integrati

Il modello INA333AIDRGT di Texas Instruments è un esempio di INA basato sulla configurazione a tre amplificatori operazionali. Offre circuiti a deriva zero per eccezionali specifiche c.c. Il guadagno può essere impostato da 1 a 10.000 utilizzando un singolo resistore esterno. Il suo CMRR è 100 dB per guadagni superiori a 100. È progettato per applicazioni industriali da 3,3 a 5 V. La larghezza di banda dipende dal guadagno, con una larghezza di banda massima di 150 kHz che offre un guadagno unitario.

Al contrario, il modello INA332AIDGKR di Texas Instruments è un INA a banda larga basato su due amplificatori operazionali, modificato con uno stadio di guadagno aggiuntivo. Il guadagno è regolabile da 5 a 1000 in base al valore di un singolo resistore esterno. Il CMRR è in genere di 73 dB. Offre una larghezza di banda significativamente più ampia di 2 MHz.

L'integrazione dell'INA in un CI monolitico consente una corrispondenza precisa tra componenti attivi e passivi, assicurando un migliore controllo del guadagno e del CMRR (Figura 5).

Figura 5: Confronto degli schemi semplificati degli amplificatori strumentali INA333 e INA332 di Texas Instruments che mostrano l'implementazione commerciale delle topologie INA a due e tre amplificatori INA. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il modello di riferimento di Texas Instruments per INA333 in Figura 6 mostra quanto sia semplice utilizzare l'amplificatore strumentale per supportare un trasduttore a ponte Wheatstone. Questo progetto impiega un estensimetro basato su un elemento trasduttore attivo da 120 Ω. Un circuito di questo genere può essere applicato a qualsiasi tipo di sensore o trasduttore a ponte di Wheatstone ed è simulato nel simulatore TINA TI SPICE.

Figura 6: Una simulazione TINA TI di un amplificatore per estensimetri con un INA333 di Texas Instruments mostra un estensimetro (R_sg) con una resistenza nominale di 120 Ω e un intervallo di lettura di 4,47 V per un'oscillazione di 10 Ω in R_sg. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

L'estensimetro, R_sg nella figura, ha una resistenza nominale di 120 Ω con una possibile variazione tra 115 Ω e 125 Ω. L'obiettivo è quello di utilizzarlo con un ADC caratterizzato da un intervallo di ingresso da 0 a 5 V.

A tal fine, il guadagno dell'amplificatore è impostato su 1.001 con una tensione di riferimento di 2,5 V. La caratteristica di trasferimento c.c. traccia la tensione di uscita dell'INA in funzione della variazione della resistenza dell'estensimetro. Le letture del cursore nella simulazione mostrano l'intervallo di uscita di 4,47 V per un'oscillazione di 10 Ω nella resistenza dell'estensimetro.

Rilevamento della corrente high-side

Una delle tecniche più comuni per misurare la corrente elettrica consiste nell'utilizzare un resistore a basso valore come shunt di corrente. Per misure di alimentazione dell'ordine di alcuni ampere, un resistore di circa 10 mΩ produrrà una caduta di tensione di 10 mV per A (Figura 7).

Figura 7: Applicazione di un INA per il rilevamento di corrente high-side con un resistore di shunt (R_SENSE) tra la sorgente di tensione INA e il carico. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Se lo shunt a resistore è posizionato tra il carico e la terra, viene indicato come rilevamento della corrente low-side. La configurazione con il resistore di rilevamento tra la fonte di alimentazione e il carico viene detta rilevamento della corrente high-side. Il rilevamento high-side ha il vantaggio di eliminare le interferenze di terra. Permette anche il rilevamento di guasti verso terra del carico.

Il rilevamento della corrente high-side richiede uno studio accurato delle tensioni di modo comune applicate all'amplificatore strumentale, come verrà discusso più avanti.

Se R_SENSE è 10 mΩ, allora un'oscillazione di corrente di 5 A si tradurrà in 50 mV attraverso il resistore. Regolando il guadagno dell'INA a 100 si otterrà un'oscillazione dell'uscita di 5 V.

Come evitare i problemi più comuni dell'impiego di INA

Come accennato in precedenza, è importante tenere presente l'intervallo della tensione di modo comune dell'INA. Osservare la misurazione dell'estensimetro nella Figura 6. L'INA viene pilotato da un'alimentazione singola da 5 V che semplifica la distribuzione di energia. Se l'ingresso di riferimento è messo a terra, come è comune con il funzionamento a doppia alimentazione, l'oscillazione dell'uscita è centrata a 0 V. Poiché gli ingressi INA sono entrambi vicini a 2,3 V, la sua uscita sarà prossima a 0 V e non può oscillare al di sotto del riferimento a 0 V. L'innalzamento dell'ingresso di rilevazione a 2,5 V centra la tensione di uscita vicino a 2,5 V, consentendo oscillazioni sopra e sotto.

È inoltre importante assicurarsi che gli amplificatori buffer interni non si saturino quando vengono utilizzati ad alto guadagno. Vediamo cosa succede se l'ingresso all'INA è 5 mV e il guadagno è 1000. In questa situazione c'è una differenza di 5 V tra le uscite dei buffer di ingresso. Se l'INA viene azionato da un'alimentazione a 5 V, uno dei buffer si troverà in saturazione. Fortunatamente, i fornitori di INA come Texas Instruments offrono programmi applicativi ("V_CM rispetto a V_OUT per amplificatori strumentali") per controllare l'intervallo di modo comune dei propri amplificatori strumentali.

Infine occorre prestare attenzione al ritorno di massa per gli ingressi INA. Se gli ingressi sono collegati in c.a. o a un dispositivo flottante come una termocoppia, è necessario collegare un resistore di valore elevato dall'ingresso a terra per scaricare la corrente di polarizzazione in ingresso dell'amplificatore.

Conclusione

Come ben presto hobbisti e ingegneri professionisti scopriranno, collegare i sensori all'IoT richiede innanzitutto una buona comprensione di come acquisire e amplificare un segnale di basso livello da un ponte di Wheatstone prima di convertirlo nel dominio digitale usando gli ADC.

Gli INA sono ideali per amplificare segnali differenziali. Offrono un elevato guadagno, un'elevata reiezione di modo comune e un'alta impedenza di ingresso. Dato che sono disponibili in varie configurazioni, è importante capire come funzionano, le loro specifiche principali e cosa tenere in considerazione quando li si vuole utilizzare.