Amplificateur de mesure
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{{voir homonymes|Amplificateur}}
{{Ébauche|électronique}}
{{Pas fini/Article|Zedh}}
Un '''amplificateur de mesure''' (en anglais ''Instrumentation Amplifier'', ''in-amp'' ou ''INA'') est un dispositif électronique destiné au traitement de faibles [[signal électrique|signaux électriques]]. On le trouve également dans la littérature sous le nom d'amplificateur d'instrumentation.
L'amplificateur de mesure est un élément essentiel dans la partie de conditionnement d'une [[chaine d'acquisition]] : il permet le traitement de signaux issus de [[capteur]]s de mesure.
Il est généralement réalisé à partir d'un ou de plusieurs [[Amplificateur opérationnel|amplificateurs opérationnels]] (AOP), de telle manière qu'il améliore leurs caractéristiques intrinsèques : composante continue, dérive, bruit d'amplification, gain en boucle ouverte, [[taux de réjection du mode commun]], impédance d'entrée.
== Caractéristiques ==
[[Image:Common mode noise.JPG|350px|thumb|right|Perturbation de mode commun]]
Les caractéristiques importantes d'un amplificateur de mesure sont celles d'un [[Amplificateur opérationnel#Amplificateur opérationnel réel|amplificateur opérationnel]].
<!--
Pour un signal différentiel, le mode commun s'écrit comme étant la moyenne des deux signaux :
<math>V_\mathrm{mc} = \frac{(V_\mathrm{e+} + V_\mathrm{e-})}{2}</math>
Une perturbation de mode commun sera donc une perturbation sur les deux 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.
<br clear="all"/>
=== Tension de décalage et courants d'entrée ===
=== Impédance d'entrée ===
=== Bruit ===
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.
=== Linéarité ===
=== Bande passante ===
=== Conversion de signal symétrique-asymétrique ===
=== Plage d'excursion des signaux ===
=== Consommation ===
-->
== Fonctionnement ==
L'amplificateur d'instrumentation est réalisé à partir d'[[Amplificateur opérationnel|amplificateurs opérationnels]] (AOP).
[[Image:AOP dynamic model.png|600px|center|thumb|Caractérisation dynamique d'un AOP]]
L'AOP est un amplificateur avec un gain différentiel très important. La fonction de transfert idéale s'écrit <Math>G=\frac{V_s}{(e_+ - e_-)}</Math>.
<br clear="all"/>
En réalité l'AOP présente des défauts : courants d'offset et tension d'offset à l'entrée, [[Taux de réjection du mode commun|TRMC]], impédance de sortie, variation en fréquence du gain.
Voici un tableau donnant les caractéristiques d'un AOP :
{| class="wikitable"
!Propriété!!Ordre de<br />grandeur !!Bipolaire<br />(LM741) !!Jfet<br />(TL081) !!Bimos<br />(CA3140) !!Cmos<br />(LMC6035)
|-
|Gain '''Ad''' ||>10<sup>4</sup> ||10<sup>5</sup> ||2*10<sup>5</sup> ||10<sup>5</sup> ||10<sup>6</sup>
|-
|Impédance d'entrée (Ω)||>10Mohm||2*10<sup>6</sup>||10<sup>12</sup>||1.5*10<sup>12</sup>||10<sup>13</sup>
|-
||Impédance de sortie '''Rs''' (Ω)||<500||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
|-
||[[Taux de réjection du mode commun|TRMC]] '''Ad/Amc''' (dB)||>70dB||90||86||||96
|}
Le but de l'amplificateur d'instrumentation est de réduire ces défauts.
=== Amplificateur différentiel ===
[[Image:AOP instrumentation sch01.png|400px|right|thumb|Schéma d'un amplificateur différentiel classique (1 AOP)]]
L'amplificateur différentiel classique est réalisé à partir d'un [[amplificateur opérationnel]], utilisé en mode linéaire (contre réaction de la sortie sur son entrée négative).
Le gain de ce montage est :
:<math>G_d = {R_2 \over R_1}</math>
Le gain peut se régler par une résistance placée entre les points communs des deux R2 préalablement divisées en deux chacune.
Ce montage est principalement utilisé lorsque les contraintes de complexité, de coût, de taille, de faible consommation sont importantes. De plus ce montage autorise des excursions d'entrée au delà de la tension d'alimentation. Il présente néanmoins certaines limitations : le TRMC du montage correspond au TRMC de l'AOP, l'impédance d'entrée est égale à R1 + R2, donc relativement faible. Ce montage conviendra donc pour des sources de faible impédance, et avec une faible fluctuation de la tension de mode commun.
Il faut également noter que ce montage est à la base de tous les amplificateurs de mesure. Les montages plus élaborés utilisent d'autres AOPs pour limiter les inconvénients de l'amplificateur différentiel classique.
<br clear="all"/>
=== Amplificateur de mesure ===
==== Montage à 2 AOP ====
[[Image:AOP instrumentation sch02.png|400px|right|thumb|Schéma d'un amplificateur d'instrumentation à 2 AOP]]
Le gain de ce montage est
:<math>G_d = \left(1+{R_2 \over R_1}\right)</math> (sans R3)
:<math>G_d = \left(1+{R_2 \over R_1} +2*{R_2 \over R_3}\right)</math> (avec R3, ce qui permet de contrôler le gain avec une seule résistance variable)
<br clear="all"/>
==== Montage à 3 AOP ====
[[Image:Opampinstrumentation.svg|350px|right|thumb|Schéma typique d'un amplificateur d'instrumentation]]
Ce montage est le plus usité. Son gain est
:<math>\frac{V_\mathrm{out}}{V_2 - V_1} = \left (1 + {2 R_1 \over R_\mathrm{gain}} \right ) {R_3 \over R_2}</math>
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 [[Amplificateur opérationnel|AOPs]] utilisés. La réalisation de résistances appairées en valeur est la principale contrainte de fabrication des circuits d'instrumentation<Ref name="CMRR Analysis">Smither, Pugh et Woolard, ''CMRR Analysis of the 3-op-amp instrumentation amplifier'', ''Electronics letters'', 2 février 1989</Ref>
== Réalisations ==
Les amplificateurs d'instrumentation peuvent être réalisés avec des AOP individuels et des résistances de précision, mais ils sont aussi disponibles en [[Circuit intégré|circuits intégrés]] chez de nombreux fabricants ([[Texas Instruments]], [[Analog Devices]], [[Linear Technology]], etc). Généralement ces circuits offrent de très bons [[Taux de réjection du mode commun|TRMC]], du fait de la fabrication très précise des résistances intégrées (découpe au laser).
== Applications ==
=== Usage dans la cadre des boucles PLL ===
* Comparateur de phase :
L'amplificateur différentiel est un élément idéal pour le [[comparateur de phase]] de la [[boucle à verrouillage de phase]]. En effet, l'objectif d'un comparateur de phase d'une PLL est de délivrer une tension d'erreur représentative du décalage paramétrique des deux entrées du comparateur. Or le rôle d'un amplificateur différentiel est de réjecter le signal commun de ses entrées pour amplifier uniquement la composante différentielle ; et dans le cas présent de la boucle PLL cette composante différentielle représente le signal d'erreur du comparateur de phase destiné à corriger les dérives de l'oscillateur VCO.
* Oscillateur VCO :
Dans le cadre des oscillateurs VCO, la tension différentielle délivrée par l'amplificateur différentiel permet de polariser la diode varicap du VCO. Autre avantage, l'offset intrinsèque du VCO peut être parfaitement maîtrisé grâce à la possibilité de réglage précis du courant BIAS de l'amplificateur différentiel. Cette technique permet aussi de réduire considérablement le bruit de phase du VCO dû aux perturbations du courant de polarisation.
== Quelques circuits très courants d'AOP à un circuit ==
* AD620
* INA111
== Bibliographie ==
* {{Ouvrage|
titre=Traité de l’électronique analogique et numérique|
titre vo=The Art of Electronics|
volume= 1|
titre volume=Techniques analogiques|
auteurs=Paul Horowitz, Winfield Hill|
éditeur=Elektor|
langue=français|
année=1996|
isbn=2866610709|
isbn2=978-2866610708|
}}
== Références ==
<references/>
== Voir aussi ==
* [[Électronique analogique]]
* [[Instrumentation (science)]]
* [[Capteur]]
== Liens externes ==
* {{en}}[http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/instamp1/instamp1.htm ''Opamp Instrumentation Amplifier'']
* {{en}}[http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_8/10.html ''The instrumentation amplifier'']
* {{en}}[http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/Semi/SEMI_8.html#xtocid182869 ''Lessons In Electric Circuits — Volume III — The instrumentation amplifier'']
* {{en}}Eamon Nash, Analog Devices - [http://www.analog.com/UploadedFiles/Technical_Articles/25406877Common.pdf ''A Practical Review of Common Mode and Instrumentation Amplifiers'']{{pdf}}
* {{en}}[http://www.univie.ac.at/cga/courses/BE513/Instrumentation/ ''The Instrumentation Amplifier'']
* {{en}}[http://www.analog.com/analog_root/static/technology/amplifiersLinear/InstrumentationAmplifiers/designersGuide.html ''A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers (3rd Edition)'']
{{Portail électricité et électronique}}
[[Catégorie:Amplificateur électronique]]
[[de:Instrumentenverstärker]]
[[en:Instrumentation amplifier]]
[[es:Amplificador de instrumentación]]
[[it:Amplificatore da strumentazione]]
[[ru:Измерительный усилитель]]