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 préci- sion, 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 Mode commun et différentiel
2.1 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 communvmcqui correspond à la moyenne de la somme des potentiels à amplifier telle que
vmc=va+vb
2
Cette tension de mode commun à de nombreuses origines mais on peut assez facilement comprendre son impor- tance en imaginant la mesure de déformation d’une résistance sur un pont de wheatstone.
Si l’on considère que R1=R2=R3=Ret queRX=R+ R, les potentiels sont tels que vb= E
2 +E R 4R vd= E
2 On à les tensions de mode commun et différentiel telles que
vmc=E 2 vd=E R
4R
On voit ainsi que siRest grand, que Rest très faible etEune tension de l’ordre du volt, on aura une tension de mode différentielle très négligeable devant la tension de mode commun, ainsi l’amplification deVG ne permetra pas de mesurer la déformation de la résistance.
Figure1 – Montage en pont de wheatstone.
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Figure2 – 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 ampliV0=A2V+ A1V , si l’on reprend les définitions de tension de mode commun et différentiel on obtien que
V0=AdVd+AmcVmc
Si l’on pose Amc= A1+A2 2 etAd =A2 A1. On peut définir ainsi le Taux de Réjection du Mode Commun tel que
T RM C= Ad
Amc
ou
T RM CDB= 20log
✓ Ad
Amc
◆
On peut remarquer que dans les documentations constructeurs des AOP classiques, il est fait mention deAdet du TRMC ou deAmc.
3 Amplificateur d’instrumentation
3.1 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
Figure3 – Montage soustracteur.
résistances ont des valeurs exactes, ainsi on à en sortie
Vs= 1 R3
✓R3+R4
R2+R1
R2V1 R4V2
◆
Avec le jeu de résistanceR1=R3 etR2=R4on obtient
Vs= R2
R1(V1 V2) On obtient donc théoriquement un gainGd= RR21 et Gmc= 0.
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3.1.1 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 oùV1=V2 =V, on ne doit théoriquement pas avoir d’amplification et pourtant on à
Vs= 1 (1 +r)
4R2rV
(R1(1 r) +R2(1 +r)) et pourrtrès faible on obtient
Vs=4rGdV 1 +Gd On à donc unGmc non nul et donc un TRMC non nul tel que
T RM C =Gd+ 1 4r 3.1.2 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 tensionVs en sortie de l’AOP par
Vs=Ad(V+ V ) +Amc(V++V 2 ) Avec un montage soustracteur on obtient tout calculs développés
Vs= AdK2(V1 V2) 1 + (Ad Amc
2 )K1
+ AmcK2/2 1 + (Ad Amc
2 )K1
✓V1+V2
2
◆
AvecKi=R1R+Ri 2pouri= 1,2, si l’on considère que le gain différentiel est bien plus grande que le gain de mode commun on obtient
Vs=Gd
✓
(V1 V2) +Amc
2Ad
(V1+V2)
◆
Ainsi on peut exprimer le taux de réjection du mode commun T RM C= 2Ad
Amc
=T RM CAOP
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 +2R
R0)(V1 V2)
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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 R0
)(V1 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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