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LA CONNESSIONE CON GUARDIA tipo: livello:
Piccolo tutorial sull'uso della guardia nei circuiti per bassissime correnti
 
 



 

 

 

La connessione con guardia


 

Sarà capitato a molti di trovare nei datasheet di circuiti integrati a bassa corrente di ingresso ed elevata impedenza la raccomandazione di utilizzare una configurazione circuitale “guarded” insieme ad un disegno di massima di un circuito stampato simile al seguente:


Fig. 1



Cercherò di spiegare con parole semplici l'utilizzo di questa tecnica circuitale.

Quando ci si trova a misurare correnti molto basse, decine di pA o inferiori, le correnti di dispersione dei materiali usati possone essere di valore comparabile con le correnti da misurare, rendendo difficile la misura.

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Prendiamo ad esempio il circuito precedente: si possono notare le resistenze equivalenti del circuito stampato che collegano VDD e VSS agli ingressi dell'op amp. Nelle applicazioni ordinarie si possono trascurare ma supponiamo di voler realizzare un PH meter, strumento che ha una resistenza di ingresso molto alta e capace di misurare correnti molto basse, dell'ordine dei pA.

Ecco che improvvisamente le caratteristiche elettriche del FR-4 con cui è fatto il nostro circuito stampato diventano importanti. Il FR-4 ha una resistenza di isolamento di parecchi GOhm. Supponiamo per la comodità dei calcoli successivi, abbia una resistenza di 100 GOhm. Alimentiamo il nostro circuito con un normale ± 6 V, teniamo gli ingressi in prossimità dello zero.

Un veloce conticino e scopriamo che 6 volt (differenza di potenziale tra VDD e gli ingressi) / 100 GOhm (resistenza del FR-4) potrebbero far scorrere - orrore- 6e-11A, 60 picoampere, un valore che potrebbe essere comparabile o addirittura superiore alle correnti da misurare. Un caso peggiore è VSS, fisicamente più vicina agli ingressi, potrebbe causare correnti anche più elevate.

Per poter ridurre le correnti di fuga dovute all'insufficiente isolamento del substrato bisognerebbe aumentarne l'isolamento oppure passare a substrati con caratteristiche elettriche migliori. Qui ci viene in aiuto il guarding.

Abbiamo visto che nel nostro caso la corrente scorre per la differenza di potenziale tra l'ingresso e VDD/VSS.
Se potessimo azzerare questa differenza di potenziale la legge di Ohm ci insegna che non scorrerebbe corrente.

Se circondiamo i piedini di ingresso con un anello (eccolo) al loro stesso potenziale potremmo praticamente azzerare la corrente tra l'anello e gli ingressi. Rimane però la corrente tra l'anello e VDD/VSS.

Applichiamo allora all'ingresso un amplificatore a guadagno unitario in grado di pilotare correnti relativamente elevate e colleghiamone l'uscita all'anello di guardia della figura.

 

 

 

 

In questa situazione la DDP tra l'anello di guardia e gli ingressi è virtualmente zero. La corrente di fuga verso VSS/VDD scorre attraverso l'USCITA dell'amplificatore a guadagno unitario e non interferisce più con l'ingresso.

Se applichiamo la legge di Ohm I=V/R a questa configurazione abbiamo V (0 volt) / R (100 gigaohm) = 0 ampere (teorici)


Un'altra prerogativa della guardia è di migliorare il tempo di risposta (settling time) dei circuiti con cavi coassiali per misure di basse correnti, oltre a minimizzarne le correnti di fuga.

 

 

L'immagine rappresenta un cavo coassiale con evidenziata la sua capacità, che può essere di diverse decine di picofarad per metro e la resistenza di isolamento, solitamente dell'ordine dei gigaohm.

Quando viene fatta scorrere una corrente, questa deve prima caricare il condensatore equivalente del cavo.
Questo, ai fini della corrente, rappresenta una resistenza che aumenta col tempo man mano che la capacità si carica. Questa resistenza equivalente, oltre alla resistenza di isolamento, si trova in parallelo al misuratore dall'altra parte del cavo e costituisce un partitore di corrente (per giunta variabile col tempo) che inficia la misura.
 
Vale anche qui lo stesso discorso dell'esempio precedente: se non ci fosse differenza di potenziale ai capi del condensatore equivalente del cavo, non scorrerebbe una corrente nel dielettrico del cavo ed il misuratore misurerebbe tutta la corrente.

Si può ripetere il concetto dell'anello di guardia precedente, però applicato al cavo. Si usa in questi casi un cavo con DUE calze schermanti. La calza centrale svolge le stesse funzioni dell'anello del circuito stampato.

 

 

 

L'immagine rappresenta un cavo cosiddetto TRIASSIALE.
Possiamo notare le due resistenze e le due capacità, quella del conduttore centrale verso la calza interna e quella tra la calza interna e quella esterna.
 
 
 
Applichiamo al cavo la tecnica con l'inseguitore che abbiamo esaminato nel caso del circuito stampato.
Possiamo notare che:

1) Tra la calza interna e conduttore centrale la DDP è zero, quindi non scorre corrente. Abbiamo minimizzato gli effetti della resistenza di isolamento

2) Non dovendo più caricare la capacità tra conduttore centrale e calza interna del cavo (DDP = 0), la corrente arriva tutta  all'ingresso dell'amplificatore, abbiamo ridotto il tempo per ottenere una misura corretta.

Come nel caso precedente, la corrente che dovesse scorrere tra la calza interna ed esterna viene fornita dall'amplificatore.

 

Conclusioni

Usando la connessione di guardia è possibile ridurre sensibilmente alcune limitazioni dovute ai materiali con cui sono realizzati substrati e cavi. Questa tecnica è utilizzata da decenni per ottenere prestazioni di misura elevatissime senza dover ricorrere a materiali (troppo) speciali. Viene largamente largamente usata nelle apparecchiature per lo sviluppo di nuovi materiali, semiconduttori, isolanti.

Spero che la mia disamina, molto basilare e largamente incompleta, possa aver fornito delle nozioni nuove.

Mi scuso per la qualità delle figure, migliorabile.





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Questa pagina è stata creata da roderick
il 16/03/2010 ore 23:20
ultima modifica del 07/04/2010 ore 22:57
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