Chapitre 3. Conception et réalisation de magnétomètres
3.1. Les conditionneurs
3.1.4. à entrée en courant à court-circuit vrai : étage d’entrée à capteur de courant à GMR
courant à GMR
3.1.4.a) Etude fonctionnelle du capteur de courant à
Une des perspectives du travail de thèse était de préciser certaines contraintes à respecter pour la réalisation d’une sonde mixte permettant la mesure simultanée du champ électrique et magnétique. Il est concevable que la bobine différentiel
électrique comme deux conducteurs de mesure de potentiel. Cette nécessité amène une nouvelle contrainte : il faut que le circuit de la bobine soit galvaniquement isolée du
Discussion sur la structure
et Figure 83, ce type de conditionneur correspond bien au cahier de charge fixé notamment en terme d’impédance d’entrée (qui reste faible jusqu’à 1MHz)
te quasi constante dans la bande de fréquence 10Hz
Transconductance de mode différentiel (a) et de mode commun (b) d’un amplificateur ransimpédance à base d’ina163.
. Dépendance de l’impédance d’entrée de l’amplificateur à transimpédance à base d’ina 163 en fonction de la fréquence.
à entrée en courant à court-circuit vrai : étage d’entrée à capteur de
Etude fonctionnelle du capteur de courant à base de GMR
Une des perspectives du travail de thèse était de préciser certaines contraintes à respecter pour la réalisation d’une sonde mixte permettant la mesure simultanée du champ électrique et magnétique. Il est concevable que la bobine différentielle puisse être utilisée du point de vue électrique comme deux conducteurs de mesure de potentiel. Cette nécessité amène une nouvelle : il faut que le circuit de la bobine soit galvaniquement isolée du reste du montage. Le , ce type de conditionneur correspond bien au cahier de charge fixé notamment en terme d’impédance d’entrée (qui reste faible jusqu’à 1MHz)
te quasi constante dans la bande de fréquence 10Hz - 200 KHz).
ommun (b) d’un amplificateur
de l’amplificateur à transimpédance à base
: étage d’entrée à capteur de
base de GMR
Une des perspectives du travail de thèse était de préciser certaines contraintes à respecter pour la réalisation d’une sonde mixte permettant la mesure simultanée du champ électrique et le puisse être utilisée du point de vue électrique comme deux conducteurs de mesure de potentiel. Cette nécessité amène une nouvelle reste du montage. Le
but est donc de trouver une structure de conditionneur dont l’entrée soit un vrai fil de court-circuit.
On envisage ici un composant qui permet de faire une mesure de courant et qui va servir de base à l’étage d’entrée du conditionneur. C’est un capteur de courant à la base de GMR AAV003-10E produit par NVE [ 94 ], compatible avec de l'électronique de signal. D'un point de vue fonctionnel, ce composant quasi élémentaire (Figure 84(a)) met en œuvre un pont de Wheatstone complet à 4 GMR, couplé judicieusement au champ magnétique local associé à une boucle de courant intégrée.
La Figure 84 (b) et (c) donne les éléments clés de ce dispositif et l'image en montre bien le caractère composant quasi élémentaire exigé par notre démarche. L'exigence de linéarité et de bipolarité de ce composant est également facile à constater (Figure 85) : une excellente linéarité est obtenue dans le transfert entrée - sortie, pour tous les courants compris dans la plage nominale (+/- 80mA). Le fonctionnement en source commandée unidirectionnelle est donc de type transimpédance. La mise en œuvre du circuit est particulièrement simple, et on peut aisément pallier la faible valeur de la transimpédance (2mV/mA max) par un amplificateur de tension intégré ordinaire. La spécification opérationnelle est présentée dans le Tableau 13.
(a)
(b) (c)
Figure 84. Schéma fonctionnel du capteur de courant de NVE, autour d'un pont de GMR.
Tableau 13 spécification opérationnelle du composant A
Le fait marquant est ici la très faible valeur de l'impédance d'entrée, donnée à 0,3 constituée d'une ligne intégrée sur le chip, donc assimilable physiquement à un court
autre grand intérêt de ce circuit réside en sa topologie particulièrement simple et répandue du pont de Wheatstone complet. La structure est entièr
de Thévenin et de Norton également élémentaires. Par ailleurs, si la physique des composants élémentaires que sont les GMR n'est pas des plus simples, leurs caractéristiques de résistance en fonction du champ, et donc du courant dans le court
convenablement par des segments de droite, et en première approche on peut négliger les phénomènes d'hystérésis.
Ainsi le modèle quadripolaire du composant est donné
sont les suivants : zm = 2V/A @24
Ye = 1/ze= 3,3 S.
Figure 86. Schéma quadripolaire du composant NVE.
spécification opérationnelle du composant AAV003-10E produit par NVE
Le fait marquant est ici la très faible valeur de l'impédance d'entrée, donnée à 0,3 constituée d'une ligne intégrée sur le chip, donc assimilable physiquement à un court
autre grand intérêt de ce circuit réside en sa topologie particulièrement simple et répandue
du pont de Wheatstone complet. La structure est entièrement calculable, ses schémas équivalents de Thévenin et de Norton également élémentaires. Par ailleurs, si la physique des composants élémentaires que sont les GMR n'est pas des plus simples, leurs caractéristiques de résistance en onc du courant dans le court-circuit d'entrée, peuvent s'approcher très convenablement par des segments de droite, et en première approche on peut négliger les
Ainsi le modèle quadripolaire du composant est donné Figure 86. Les paramètres du modèle
24 V ; R1 = R2 = R3 = R4 = 7 kΩ. Admittance d’entrée est
Schéma quadripolaire du composant NVE.
Le fait marquant est ici la très faible valeur de l'impédance d'entrée, donnée à 0,3 Ω,
constituée d'une ligne intégrée sur le chip, donc assimilable physiquement à un court-circuit. Un autre grand intérêt de ce circuit réside en sa topologie particulièrement simple et répandue : celle ement calculable, ses schémas équivalents de Thévenin et de Norton également élémentaires. Par ailleurs, si la physique des composants élémentaires que sont les GMR n'est pas des plus simples, leurs caractéristiques de résistance en circuit d'entrée, peuvent s'approcher très convenablement par des segments de droite, et en première approche on peut négliger les
. Les paramètres du modèle Admittance d’entrée est
3.1.4.b) Schéma
Le conditionneur se trouve donc d’un point de fonctionnel très semblable au conditionneur à amplificateur d’instrumentation. Il manque juste une fonction différence et gain qui sera réalisé ici aussi et par souci de simplification par un INA123. Le schéma de réalisation est donné Figure 87 qui ne met en œuvre qu’une voie pour les premiers essais.
Figure 87. Schéma d’un conditionneur mono-voie.
3.1.4.c) Modèle quadripolaire
En termes de bruit, la sortie de l’étage se fait sous les 7 kΩ de résistance équivalente au pont
soit une source interne de bruit de l’ordre de 11 nV/Hz½ qui limite les performances. Le courant
de bruit en entrée de l’ina163 participe aussi au bruit dans la résistance du pont. Le niveau global
est donc de l’ordre de 13 nV/Hz½.
Compte tenu de la transimpédance du composant on remonte au modèle du conditionneur (Figure 88).
Les valeurs des sources sont en_eq = 60 pV/Hz½ et in_eq = 6.5 nA/Hz½.
Figure 88. Modélisation quadripolaire du conditionneur à base de GMR.
3.1.4.d) Discussion sur la structure
L’intérêt de la structure réside principalement dans l’isolation galvanique entre entrée et sortie et l’impédance d’entrée quasi nulle. La mise en œuvre du pont de GMR conduit à un
déséquilibre qui génère un offset et un gain de mode commun gênant et rend l’utilisation commerciale du composant pour cette application peu robuste.
Le défaut de cette structure est un niveau de bruit élevé qui est Johnson du pont de GMR.
Afin que le conditionneur à base de composant NVE augmenter la transimpédance d’un
3 décades.