Chapitre 4. De la détection mixte
4.4. Détection mixte
4.4.2. Conditionneur fondamental du FEM-C élémentaire
Convenons d'appeler conditionneur fondamental le système électronique le plus simple ressortant simultanément un signal proportionnel aux variations de charges et de flux magnétique
induits par les variations des champs E et H, que l'on peut ensuite transformer au travers d'un
étage intégrateur pour restituer les images de ces champs. Les ports de la Figure 127 sont donc à
connecter à deux amplificateurs différentiels de tension ou de transconductance (ports P , t+ P et t−
+
d
P , P ) et à un amplificateur différentiel de courant ou de transimpédance entre les ports d− P , d
t
P . Les schémas équivalents de Thévenin et de Norton associés au FEM-C permettent de contraindre les choix des circuits susceptibles d'être mis en oeuvre.
4.4.2.a) Conditionnement de la voie E
La paire de bornes P , d P admet comme schéma équivalent de Norton, un schéma semblable t
à celui de la Figure 125. Un montage de type électromètre différentiel, à ultra haute impédance
d'entrée ( > 1TΩ) et ultra faible courant de polarisation ( < 1pA) constitue donc le conditionneur
fondamental du FEM-C, pour restituer l'image de la composante du champ électrique dérivant d'un potentiel. La structure de cet étage pourra être la structure classique d'instrumentation, à condition de lui donner un gain unité ou faible, et à condition de mettre en œuvre les gardes de signal et de mode commun sur la paire torsadée blindée qui assurera la transmission du signal des
ports Pt,d à l'entrée de l'amplificateur. La polarisation correcte des entrées différentielles sera, au
niveau d'un conditionneur simple, assurée par un couple de résistances de très fortes valeurs
(10 GΩ), qui devront être appariées. Ces choix de valeurs que l'on sait réalistes, permettront
d'obtenir une fréquence de coupure basse de l'ordre de quelques Hz, obtenue en prenant une valeur de capacité du FEM-C vu de ces ports à 10 pF (formule du condensateur plan avec
épaisseur inter-électrode de 100µm et surface de 1 cm²). Dans ces conditions, le potentiel des
bornes Pt,d variera entre – 5V et +5V lorsque le champ externe variera sur toute son étendue de
mesure (+/- 100kV/m) si l'épaisseur du FEM-C (réalisation à air) est de 100 µm. Ces valeurs extrêmes constituent le potentiel de mode commun maximal qui pourra se développer aux ports
+
t
P , P et t− P , d+ P du FEM-C, dont nous examinons maintenant le conditionnement. d−
4.4.2.b) Conditionnement fondamental des voies H
Comme nous l'avons expliqué ci-dessus, cette double paire de ports du FEM-C, en vertu de la loi de Lenz, délivre une différence de potentiel associable à la partie tourbillonaire du champ électrique, donc au champ magnétique. Le conditionneur fondamental associable à chacun de ces deux ports doit donc être un montage intégrateur à très haute impédance d'entrée, dont le fonctionnement ne doit pas perturber celui de l'electromètre mis en place sur le troisième port. Les entrées différentielles doivent en outre garantir une excellent rejection de mode commun, les
valeurs extrêmes de celui-ci ont été précisées ci – dessus. Puisqu'au continu les bornes P , t P et t+
−
t
P , d'une part, P , d P et d+ P d'autre part, sont en court circuit, les courants de polarisation et les d−
résistances nécessaires à leur obtention doivent être du même ordre de grandeur et partagés si possible. Cette contrainte implique que les technologies des étages d'entrées soient de même nature. Par conséquent, la structure adaptée au conditionnement mixte simultané des signaux induits par voie électrique et magnétique au sein du FEM-C, est probablement la structure d'amplificateur d'instrumentation, à ultra faible courant de polarisation, ultra haute impédance d'entrée, et valeurs minimales des densités spectrales de bruit en courant et en tension. Une première étude de l'état de l'art des amplificateurs linéaires intégrés sur silicium montre par exemple que le circuit LT1169 chez Linear Technologies possède en grande partie ces spécifications, voir Tableau 19. Une lecture plus approfondie de ces spécifications indique que les valeurs ci – dessus sont les valeurs maximales, les valeurs typiques étant plutôt meilleures :
pA
Ib =1,5 , in =1 fA
( )
Hz et en =6nV( )
Hz . A l'examen de ces données techniques,l'homme de l'Art sait qu'un étage différentiel mettant en oeuvre la structure classique à trois amplificateurs linéaires intégrés et une résistance de gain couplant les entrées inverseuses, est parfaitement opérationel, dans une bande passante associée au gain de l'étage et au produit gain bande de l'amplificateur. Or le montage doit être intégrateur dans la bande passante utile. Le montage de base, qui soit différentiel et pseudo intégrateur sur une bande spécifiable, est celui du schéma (f) du Tableau 15.
Tableau 19 Spécifications techniques principales du LT1169 de Linear Technologies
• Input Bias Current, Warmed Up: 20pA Max • 100% Tested Low Voltage Noise: 8nV/rtHz Max • S8 and N8 Package Standard Pinout
• Very Low Input Capacitance: 1.5pF • Voltage Gain: 1.2 Million Min • Offset Voltage: 2mV Max • Input Resistance: 1013ohms
• Gain-Bandwidth Product: 5.3MHz Typ • Guaranteed Specifications with ±5V Supplies
• Guaranteed Matching Specifications
Donc, pour obtenir le conditionneur de base des deux voies H du FEM-C, le circuit doit admettre cette topologie, en changeant le circuit intégré INA 163, par des circuits intégrés du type LT1169 qui contient une paire d'amplificateur linéaires intégrés dont les spécifications conviennent. Reste à déterminer l'impédance de gain variable à connecter entre les entrées inverseuses, sachant que la source de signal sur chacun des deux ports en voie H contient une contribution de mode différentiel à amplifier suivant une fonction de transfert de pôle dominant situé à quelques Hz en fréquence et s'étendant sur trois à quatre décades. Pour cela, l'analyse
élémentaire du circuit permet d'obtenir la valeur du rapport des résistances 1 10 à3 104
R R
gl
= , valeur néanmoins notablement inférieure au gain en boucle ouverte des LT1169 . Partant, une
valeur de la résistance de gain R choisie à 10gl Ω semble une bonne valeur. Elle permet de
proposer la valeur de l'inductance de la bobine associé en série de l'ordre de 100 mH, pour obtenir une fréquence de coupure suffisamment basse (16 Hz) pour cette première proposition de conditionneur fondamental du FEM-C.
4.4.2.c) Synthèse du conditionneur fondamental du FEM-C
Compte tenu des premières analyses données ci-dessus, la validation du concept du FEM-C et de son conditionneur devra faire appel à une structure contenant trois sous circuits, tous contenant des amplificateur linéaires intégrés de performances semblables à celles du LT1169 de Linear Technologie, rangés dans la catégorie des amplificateurs à entrées de technologie à J-FET, donc de très faible courants de polarisation et d'impédance d'entrée très élevée. Ces circuits intégrés, conditionnés par paires seront au nombre minimal de 3, suivis par des amplificateurs de différence, pour effectuer les conversions différentiel – non différentiel nécessaires. Deux de ces amplificateurs de différence pourront être intégrés, pour un conditionnement symétrique des deux voies H. Ils seront suivis : soit d'un amplificateur-sommateur, soit d'un amplificateur de différence. Cette possibilité permettra d'obtenir une sortie proportionnelle au champ magnétique
externe H, lorsque la somme est réalisée, ou bien une sortie proportionnelle au gradient du champ magnétique suivant l'axe oz du FEM-C dessiné Figure 127, lorsque la différence est réalisée. Cette figure de principe peut être réarrangée pour obtenir d'autres composantes du gradient de H, suivant les applications visées.