ブリッジセンサーは、産業オートメーション、環境モニタリング、バイオメディカル分野で広く使用されており、その高精度な特性で高く評価されています。しかし、回路設計における信号増幅不足、共通モード電圧干渉、DCオフセットなどの複雑な問題が設計者にとってしばしば課題となります。この記事では、これらの問題を回避するための主要な設計方法について探ります。

信号増幅とアンプの選択

ブリッジセンサーの出力信号は通常小さく、そのため、後続のデジタル処理や制御のために高ゲインアンプで信号を増幅する必要があります。アンプを選択する際には、ゲイン、ノイズレベル、共通モード除去比（CMRR）に注意を払う必要があります。たとえば、精密な計測アンプは、信号増幅中に入力での共通モード電圧を抑制するのに理想的で、最適な選択肢です。AD8237やAD8420のような間接電流フィードバック（ICF）を使用する計測アンプは、低消費電力のブリッジ回路アプリケーションに特に適しています。

ブリッジセンサーの基本原理を理解する

ホイートストンブリッジは典型的なブリッジセンサーで、抵抗の変化によって物理量を検出します。4つの抵抗が完全に同一である場合、ブリッジの出力はゼロです。しかし、製造誤差や外部環境要因により、オフセット電圧が発生することがあります。このオフセット電圧は測定精度に直接影響を与えるため、設計において対処する必要があります。

DCオフセットと共通モード電圧の抑制

設計上、共通モード電圧やDCオフセットは避けられません。共通モード電圧は環境ノイズなどによって引き起こされ、DCオフセットは抵抗の許容誤差や温度変化に関連しています。差動アンプやICF計測アンプは、共通モード電圧を効果的に抑制し、高精度の信号出力を維持できます。REF端子に逆電圧をかけることも一般的な方法であり、大きな入力オフセットに対して有効ですが、アンプの最初の段階が飽和している場合には効果がありません。

回路設計の最適化とオフセット補正

ブリッジオフセットに対しては、外部抵抗の分流などの従来の解決策が有効ですが、大規模な自動生産には適していません。デジタル補正は別の解決策で、最初の段階のゲインを下げ、ソフトウェアでオフセットを除去します。しかし、より先進的な解決策としては、AD8237のようなICF計測アンプの使用があります。これにより、DACを正確に調整してブリッジオフセットを微調整することが可能です。これにより、生産中に調整が可能になるだけでなく、環境の変化に応じてリアルタイムで再調整が可能です。

電源設計と最適化

ノイズや干渉を抑制するためには、適切に設計された電源および接地レイアウトが重要です。低ノイズの電源を使用し、適切な接地レイアウトを採用することで、信号の干渉やエラーを減少させることができます。また、設計において適切な抵抗値を選択することにより、回路性能に影響を与える電力消費やノイズ問題を回避することが重要です。

結論

まとめると、ブリッジセンサーの回路設計では、信号増幅、共通モード干渉の抑制、ブリッジオフセットの補正、および回路レイアウトなどの要素を考慮する必要があります。適切な設計と最適化を行うことで、複雑な問題を効果的に回避し、測定精度とシステムの信頼性を向上させることができます。