Amplificateur d'instrumentation

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Un amplificateur d'instrumentation est un dispositif électronique destiné au traitement de faibles signaux électriques. L'application typique est le traitement de signaux issus de capteurs de mesure. Son fonctionnement est basé sur le principe de l'amplification différentielle.

L'amplificateur d'instrumentation est généralement réalisé à partir d'un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels (AOP), de telle manière qu'il améliore leurs caractéristiques intrinsèques : offset, dérive, bruit d'amplification, gain en boucle ouverte, Taux de réjection du mode commun, impédance d'entrée.

[modifier] Principe

La mesure de signaux en provenance de capteurs présente un problème majeur : ces signaux sont généralement de très faible amplitude, de l'ordre de quelques milliVolts. Ce constat entraîne deux conséquences :

Ces signaux sont fortement sujet aux perturbations, car le rapport signal sur bruit est très faible.
Il faut amplifier ces signaux avec un grand gain, tout en évitant d'amplifier le bruit.

Le recours à des amplificateurs d'instrumentation se fait pour ces deux raisons : ils permettent une amplification avec un gain important en rejetant une grande partie des perturbations.

On peut classifier les perturbations selon 3 catégories.

[modifier] Perturbations de mode commun

Perturbation de mode commun

Pour un signal différentiel, le mode commun s'écrit comme étant la moyenne des deux signaux :

$V_\mathrm{mc} = \frac{(V_\mathrm{e+} + V_\mathrm{e-})}{2}$

Une perturbation de mode commun sera donc une perturbation sur les 2 lignes simultanément. Cette perturbation est présente dans les lignes de transmission par couplage électrique, ou dans les lignes d'alimentation (fluctuations de la masse électrique, ou de la tension d'alimentation du capteur). On définit le Taux de réjection du mode commun comme étant la capacité d'un amplificateur à propager et amplifier ce mode. Dans un amplificateur d'instrumentation, ce taux sera minimisé.

[modifier] Perturbations de mode différentiel

le mode différentiel s'écrit comme étant la différence des deux signaux :

$V d = V e + - V e -$

Il correspond à la superposition du signal utile et de la perturbation de mode différentiel : une perturbation de ce type sera donc difficile à supprimer. La réalisation du système peut permettre de la diminuer de façon significative (blindage, isolation des masses). On peut également réaliser un filtrage du bruit pendant ou après amplification.

[modifier] Bruit d'amplification

Les gains importants lors de l'amplification augmentent l'influence des nuisances générées par l'amplificateur lui-même. L'utilisation d'un montage symétrique tel que celui de l'amplificateur d'instrumentation permet d'annuler une partie de ces nuisances.

[modifier] Fonctionnement

L'amplificateur d'instrumentation est réalisé à partir d'amplificateurs opérationnels (AOP).

Caractérisation dynamique d'un AOP

L'AOP est un amplificateur avec un gain différentiel très important. La fonction de transfert idéale s'écrit $G=\frac{V_s}{(e_+ - e_-)}$ .
En réalité l'AOP présente des défauts : courants d'offset et tension d'offset à l'entrée, TRMC, impédance de sortie, variation en fréquence du gain.

Voici un tableau donnant les caractéristiques d'un AOP :

Propriété	Ordre de grandeur	Bipolaire (LM741)	Jfet (TL081)	Bimos (CA3140)	Cmos (LMC6035)
Gain Ad	>10⁴	10⁵	2*10⁵	10⁵	10⁶
Impédance d'entrée (Ὼ)	>10Mohm	2*10⁶	10¹²	1.5*10¹²	10¹³
Impédance de sortie Rs (Ὼ)	<500ohm	75	100
fréquence de coupure f1	10Hz
Courants de fuite I+,I-	<500nA	80nA	30pA	10pA	0.02pA
Tension d'offset Voff (mV)	<10mV	1mV	3mV	8mV	0.5mV
TRMC Ad/Amc (dB)	>70dB	90	86		96

Le but de l'amplificateur d'instrumentation est de réduire ces défauts.

[modifier] Montage à 1 AOP

Schéma d'un amplificateur d'instrumentation à 1 AOP

Le gain de ce montage est

$G_d = {R_2 \over R_1}$

Ce montage est le moins complexe à réaliser, mais il présente certains inconvénients : le TRMC du montage correspond au TRMC de l'AOP, l'impédance d'entrée est égale à R1+R2, donc relativement faible. Enfin le gain n'est pas réglable directement par une résistance.

[modifier] Montage à 2 AOPs

Schéma d'un amplificateur d'instrumentation à 2 AOPs

Le gain de ce montage est

$G_d = \left(1+{R_2 \over R_1}\right)$ (sans R3)

$G_d = \left(1+{R_2 \over R_1} +2*{R_2 \over R_3}\right)$ (avec R3, ce qui permet de contrôler le gain avec une seule résistance variable)

[modifier] Montage à 3 AOPs

Schéma typique d'un amplificateur d'instrumentation

Ce montage est le plus usité. Son gain est

$\frac{V_\mathrm{out}}{V_2 - V_1} = \left (1 + {2 R_1 \over R_\mathrm{gain}} \right ) {R_3 \over R_2}$

Le gain idéal en mode commun (TRMC) de l'amplificateur d'instrumentation est zéro. Dans le circuit ci-contre, la valeur de ce gain est provoquée par les tolérances des valeurs des résistances qui rendent le schéma asymétrique, et par le gain de mode commun non nul des 2 AOPs utilisés. La réalisation de résistances appairées en valeur est la principale contrainte de fabrication des circuits d'instrumentation^[1]

[modifier] Réalisations

Les amplificateurs d'instrumentation peuvent être réalisés avec des AOP individuels et des résistances de précision, mais ils sont aussi disponibles en circuits intégrés chez de nombreux fabricants (Texas Instruments, Analog Devices, Linear Technology, etc). Généralement ces circuits offrent de très bons TRMC, du fait de la fabrication très précise des résistances intégrées de précision (découpe laser).

[modifier] Références

↑ Smither, Pugh and Woolard: ‘CMRR Analysis of the 3-op-amp instrumentation amplifier', Electronics letters, 2nd February 1989

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens externes

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