l`amplificateur d`instrumentation

Leçon 14 - Traitement analogique du signal fourni par un capteur :
l’amplificateur d’instrumentation
MALLERON Kévin
15 avril 2014
1
Motivations
La captation d’effets physique est l’une des applications de l’électronique qui nécessite la plus grande précision, les capteurs donnant souvent une information très faible et donc très perturbé par le bruit ambiant (tout
autre effet physique ne désirant pas être mesuré). Il convient donc d’amplifier le signal issu du capteur sans
rajouté d’incertitude à la mesure. On considérera par la suite que le capteur nous fourni une tension représentant
directement la mesure non bruitée et que cette tension est très faible (qqs mV).
2
2.1
Mode commun et différentiel
Tension de mode commun et différentiel
Lorsque l’on parle d’amplification dans la chaine d’acquisition de la mesure, on parle d’une amplification
différentielle, on va amplifier la différence de potentiel entre deux points a et b, on appelera cette tension vd
telle que
vd = va vb
On va définir une tension dites de mode commun vmc qui correspond à la moyenne de la somme des potentiels
à amplifier telle que
va + vb
vmc =
2
Cette tension de mode commun à de nombreuses origines mais on peut assez facilement comprendre son importance en imaginant la mesure de déformation d’une résistance sur un pont de wheatstone.
Si l’on considère que R1 = R2 = R3 = R et que RX = R + R, les potentiels sont tels que
E
E R
+
2
4R
E
vd =
2
On à les tensions de mode commun et différentiel telles que
vb =
E
2
E R
vd =
4R
On voit ainsi que si R est grand, que R est très faible et E une tension de l’ordre du volt, on aura une tension de
mode différentielle très négligeable devant la tension de mode commun, ainsi l’amplification de VG ne permetra
pas de mesurer la déformation de la résistance.
vmc =
Figure 1 – Montage en pont de wheatstone.
1
leçon 14
Ens Cachan
Figure 2 – Structure élémentaire de l’ampli différentiel.
2.2
Amplification de mode commun et différentiel, TRMC
On va tout d’abord analysé l’amplificateur différentiel idéal représenter en figure 2 On à en sortie de cet
ampli V0 = A2 V+ A1 V , si l’on reprend les définitions de tension de mode commun et différentiel on obtien
que
V0 = Ad Vd + Amc Vmc
Si l’on pose Amc =
que
A1 +A2
2
et Ad = A2
A1 . On peut définir ainsi le Taux de Réjection du Mode Commun tel
Ad
Amc
✓
◆
Ad
= 20log
Amc
T RM C =
ou
T RM CDB
On peut remarquer que dans les documentations constructeurs des AOP classiques, il est fait mention de Ad et
du TRMC ou de Amc .
3
3.1
Amplificateur d’instrumentation
AOP soustracteur
La première idée pour réaliser un amplificateur d’instrumentation (c’est à dire un ampli différentiel avec fort
TRMC) est d’utiliser un montage amplificateur soustracteur figure 2. On considère l’ALI comme parfait et les
Figure 3 – Montage soustracteur.
résistances ont des valeurs exactes, ainsi on à en sortie
✓
1 R3 + R 4
Vs =
R2 V1
R3 R2 + R 1
R4 V2
◆
Avec le jeu de résistance R1 = R3 et R2 = R4 on obtient
Vs =
On obtient donc théoriquement un gain Gd =
MALLERON
R2
R1
R2
(V1
R1
V2 )
et Gmc = 0.
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leçon 14
3.1.1
Ens Cachan
Imprécision des résistances
Étudions maintenant l’influence de l’imprécision des résistances dans ce montage simple, ainsi on a R1 =
R1 (1 + r) et R2 = R2 (1 + r). On se place de plus dans le cas où V1 = V2 = V , on ne doit théoriquement pas
avoir d’amplification et pourtant on à
Vs =
1
(1 + r) (R1 (1
4R2 rV
r) + R2 (1 + r))
et pour r très faible on obtient
4rGd V
1 + Gd
non nul et donc un TRMC non nul tel que
Vs =
On à donc un Gmc
T RM C =
3.1.2
Gd + 1
4r
Imperfection de l’AOP
On va maintenant s’interesser à l’une des imperfections des AOP qui est le gain de mode commun. On
exprime donc la tension Vs en sortie de l’AOP par
V+ + V
)
2
Avec un montage soustracteur on obtient tout calculs développés
✓
◆
Ad K2 (V1 V2 )
Amc K2 /2
V1 + V 2
Vs =
+
2
1 + (Ad A2mc )K1
1 + (Ad A2mc )K1
Vs = Ad (V+
V ) + Amc (
i
Avec Ki = R1R+R
pouri = 1, 2, si l’on considère que le gain différentiel est bien plus grande que le gain de mode
2
commun on obtient
✓
◆
Amc
Vs = Gd (V1 V2 ) +
(V1 + V2 )
2Ad
Ainsi on peut exprimer le taux de réjection du mode commun
T RM C =
2Ad
= T RM CAOP
Amc
En conclusion : On à vue que l’imperfection des résistances n’est pas le facteur le plus limitant du TRMC
mais bien le TRMC intrinsèque de l’AOP.
3.2
Amplificateur à 3 étages
Figure 4 – Montage amplificateur d’instrumentation.
On va maintenant analyser le montage de l’amplificateur d’instrumentation tel qu’il est implanter dans
les composants intégré type CMOS. Il associe deux étages d’entrées différentiel symétrique et un montage
amplification différentiel (soustracteur).On à en sortie
Vs = (1 +
MALLERON
2R
)(V1
R0
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V2 )
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Ens Cachan
On à ainsi un montage dont le gain est réglable en ajustant uniquement une seule résistance. On va maintenant
étudié l’imperfection de l’AOP qui est la plus limitante de TRMC
Vs = (1 +
2R
)(V1
R0
V2 ) +
1
T RM CAOP
et donc le taux de réjection sera supérieur à celui d’un AOP seul, on à donc améliorer le TRMC global.
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