Les amplificateurs sont des circuits électroniques qui augmentent la puissance d’un signal afin qu’il puisse être traité, mesuré ou transmis plus efficacement. Dans les systèmes analogiques, les signaux provenant des capteurs, des sources audio ou des circuits de contrôle sont souvent trop faibles pour être utilisés directement, c’est pourquoi les amplificateurs sont utilisés pour augmenter les niveaux de tension, améliorer la qualité du signal et préparer le signal pour l’étape suivante. Les amplificateurs opérationnels, les amplificateurs différentiels et les amplificateurs d’instrumentation traitent chacun les signaux de manière différente et sont utilisés selon les situations. Cet article compare ces trois types d’amplificateurs, expliquant leur fonctionnement, en quoi ils diffèrent et comment choisir le bon pour des applications réelles.
Qu’est-ce qu’un amplificateur opérationnel ?
Un amplificateur opérationnel, ou ampli opérationnel, est un amplificateur électronique qui augmente la différence entre deux tensions d’entrée et produit une seule tension de sortie. Il possède deux bornes d’entrée : l’entrée non inversante (+) et l’entrée inverseuse (−). La sortie varie en fonction de la différence de tension entre ces deux entrées.
Dans les circuits pratiques, un ampli opérationnel est généralement utilisé avec des composants de rétroaction externes tels que des résistances et des condensateurs. Ces composants contrôlent le gain, la stabilité, la bande passante et le comportement global du circuit. L’idée de base d’un ampli opérationnel peut s’exprimer ainsi :
Vout = Aol(V+ − V−)
où Vout est la tension de sortie, Aol est le gain en boucle ouverte, V+ est la tension d’entrée non inverse, et V− est la tension d’entrée inverse. Dans les applications réelles, le gain en boucle ouverte très élevé est généralement contrôlé par rétroaction négative afin que le circuit puisse produire une sortie stable et prévisible.
Qu’est-ce qu’un amplificateur différentiel ?
Un amplificateur différentiel augmente la différence entre deux tensions d’entrée et réduit les signaux qui apparaissent également sur les deux entrées. Ces signaux égaux sont appelés signaux en mode commun. Pour cette raison, un amplificateur différentiel est utile lorsque le signal important est la différence de tension entre deux points, et non seulement un signal mesuré par rapport à la masse.
Un amplificateur différentiel basique possède deux entrées, souvent appelées V1 et V2, et une seule sortie. La sortie change en fonction de la différence entre les deux entrées. Si les deux entrées montent ou descendent ensemble à cause du bruit ou des interférences, l’amplificateur tente de rejeter ce signal partagé et n’amplifie que la différence utile.
L’idée de base peut s’exprimer ainsi :
Vout = Ad(V2 − V1)
où Vout est la tension de sortie, Ad est le gain différentiel, et V2 − V1 est la différence de tension entre les deux signaux d’entrée.
Qu’est-ce qu’un amplificateur d’instrumentation ?
Un amplificateur d’instrumentation est un amplificateur de précision conçu pour amplifier de très petits signaux différentiels tout en rejetant le bruit ou les signaux indésirables qui apparaissent également sur les deux entrées. Il est couramment utilisé lorsque le signal provient de capteurs, car de nombreux capteurs produisent de faibles variations de tension qui nécessitent une amplification précise avant le traitement.
Un amplificateur d’instrumentation possède deux bornes d’entrée et généralement une borne de sortie. Comme un amplificateur différentiel, il amplifie la différence entre les deux tensions d’entrée. Cependant, il offre une impédance d’entrée plus élevée, une meilleure réjection en mode commun et un gain plus stable qu’un amplificateur différentiel basique. Cela aide à éviter la charge des capteurs et améliore la précision des mesures.
L’idée de base peut s’exprimer ainsi :
Vout = G(V2 − V1)
où Vout est la tension de sortie, G est le gain de l’amplificateur, et V2 − V1 est la tension différentielle d’entrée.
Amplificateur opérationnel vs amplificateur différentiel vs amplificateur d’instrumentation
| Point de comparaison | Amplificateur opérationnel | Amplificateur différentiel | Amplificateur d’instrumentation |
|---|---|---|---|
| Type d’entrée | Peut être utilisé avec une entrée à simple extrémité ou différentielle selon la conception du circuit | Utilise deux signaux d’entrée et répond à leur différence | Utilise deux signaux d’entrée et répond à leur différence |
| Type de sortie | Généralement une sortie à une seule extrémité | Habituellement des sorties à une seule extrémité, mais des versions entièrement différentielles existent aussi | Généralement une sortie mono-terminée, selon la conception du CI |
| Équation de base | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Gain de contrôle | Le gain est généralement réglé par des résistances de rétroaction externes | Le gain est fixé par les rapports de résistance | Le gain est souvent réglé par une résistance de réglage du gain |
| Impédance d’entrée | Généralement élevé, selon le type et la configuration de l’amplificateur opérationnel | Des conceptions de résistances modérées à élevées mais basiques peuvent charger la source | Très haut, ce qui le rend adapté aux capteurs |
| Niveau de précision | De l’usage général à la précision, selon l’amplificateur opérationnel utilisé | Précision modérée à bonne | Haute précision |
| Erreur de décalage | Cela dépend de l’ampli opérationnel sélectionné | Affecté par le décalage de l’amplificateur opérationnel et le décalage des résistances | Généralement faible décalage et faible dérive dans les modèles de précision |
| Bande passante | Large plage, selon l’amplificateur opérationnel | Cela dépend du réseau d’amplificateur opérationnel, de gain et de résistances | Souvent plus bas que les amplis op généraux à gain élevé |
| Complexité des circuits | Simple à modéré | Modéré | Modéré à élevé, mais simple avec un CI intégré |
| Composants externes | Résistances de rétroaction et autres composants selon la configuration | Nécessite des résistances précisément adaptées | Il ne nécessite souvent qu’une résistance de réglage du gain et quelques pièces de support |
| Sensibilité à l’adaptation des résistances | Important dans les circuits de réglage du gain | Très important pour gagner en précision et CMRR | Moins difficile pour les utilisateurs lorsqu’on utilise des circuits intégrés à résistances correspondantes intégrées |
| Meilleure utilisation | Amplification générale, filtrage, tampon et traitement analogique du signal | Mesure des différences de tension entre deux points | Mesure de précision du signal des capteurs |
| Principal avantage | Très flexible et largement disponible | Rejette les signaux courants et mesure les différences de tension | Haute précision, forte impédance d’entrée et forte réjection en mode commun |
| Limitation principale | Ce n’est pas toujours idéal pour de petits signaux capteurs sans un soin de conception supplémentaire | La précision dépend de l’appariement des résistances et de l’impédance d’entrée | Plus spécialisés et peuvent coûter plus cher que les circuits basiques d’amplis opérationnels |
Facteurs clés de performance des amplificateurs à prendre en compte
Réglage du gain et précision du gain
Le réglage du gain explique comment le gain de sortie de l’amplificateur est contrôlé, tandis que la précision du gain indique à quel point le gain réel est proche de la valeur attendue.
• Dans un circuit ampli-op, le gain est généralement réglé par des résistances de rétroaction externes. Par exemple, un ampli opérationnel non inverseur utilise le rapport de résistance autour du chemin de rétroaction pour régler le gain. Cela rend les amplificateurs opérationnels très flexibles car le même dispositif peut être utilisé pour le tamponnage, le faible gain, le haut gain, le filtrage ou le conditionnement du signal.
• Dans un amplificateur différentiel, le gain dépend également des rapports de résistances, mais l’adaptation des résistances devient plus critique. Si les rapports des résistances ne sont pas étroitement adaptés, l’amplificateur peut produire une erreur de gain et un rejet en mode commun plus faible. Pour les circuits différentiels de précision, les concepteurs utilisent souvent des résistances à tolérance serrée telles que des pièces à 0,1 % ou 0,01 % au lieu des résistances standard à 1 %.
• Dans un amplificateur d’instrumentation, le gain est souvent réglé par une résistance externe ou un réseau interne de réglage du gain, ce qui facilite l’obtention d’un gain stable dans les circuits capteurs et de mesure. Analog Devices note que les amplificateurs opérationnels sont configurés via plusieurs composants externes, tandis que les amplificateurs d’instrumentation sont généralement configurés pour le gain via une seule résistance ou des prises de gain sélectionnables.
Rejet en mode commun et rejet du bruit
Le rejet en mode commun décrit la capacité d’un amplificateur à rejeter les signaux qui apparaissent simultanément sur les deux entrées. C’est important car les circuits réels captent souvent le bruit partagé provenant des lignes électriques, des moteurs, des alimentations à découpage, des longs fils capteurs ou des circuits numériques à proximité. Si l’amplificateur présente une faible réjection en mode commun, une partie de ce bruit indésirable peut apparaître à la sortie et réduire la précision du signal.
• Les amplificateurs opérationnels peuvent rejeter les signaux en mode commun, mais leurs performances réelles dépendent de la configuration du circuit et de la conception de rétroaction.
• Un amplificateur différentiel est spécifiquement conçu pour amplifier la différence entre deux entrées, mais son CMRR dépend fortement de l’appariement des résistances. Si le réseau de résistances n’est pas équilibré, le rejet du bruit en mode courant devient plus faible.
• Les amplificateurs d’instrumentation offrent généralement le rejet en mode commun le plus fort car ils sont conçus pour de petits signaux différentiels dans des environnements bruyants. Dans de nombreuses applications de capteurs de précision, les amplificateurs d’instrumentation peuvent avoir des valeurs CMRR comprises entre 80 dB et plus de 120 dB, selon le gain et le type de dispositif.
C’est pourquoi ils sont souvent préférés pour les capteurs pont, les thermocouples et les signaux de mesure médicaux ou industriels. Analog Devices décrit les amplificateurs d’instrumentation comme des blocs à gain d’entrée différentiel, couramment utilisés lorsque l’impédance d’entrée élevée et le rejet en mode commun sont nécessaires.
Impédance d’entrée et charge source
L’impédance d’entrée indique dans quelle mesure l’amplificateur affecte la source du signal. Une forte impédance d’entrée signifie que l’amplificateur prend très peu de courant de la source, ce qui permet de mieux conserver le signal d’origine. Une faible impédance d’entrée peut charger la source, réduire la tension mesurée et créer une erreur de signal avant même que l’amplification ne commence.
• Les amplificateurs opérationnels ont généralement une forte impédance d’entrée, en particulier les types CMOS et JFET. Cela les rend utiles pour le tampon de tension et le conditionnement général du signal.
• Les amplificateurs différentiels peuvent avoir une impédance d’entrée effective plus faible car le signal d’entrée passe souvent à travers des réseaux de résistances. Cela peut poser problème lorsque le signal source est faible ou provient d’un capteur à haute impédance.
• Les amplificateurs d’instrumentation fournissent généralement une impédance d’entrée très élevée et équilibrée sur les deux entrées, ce qui aide à prévenir la charge des capteurs.
Décalage, dérive et précision des mesures
La tension décalée est une petite erreur de tension indésirable qui apparaît à l’entrée de l’amplificateur. Même lorsque les deux signaux d’entrée sont égaux, un amplificateur réel peut tout de même produire une petite erreur de sortie à cause d’un déséquilibre interne. Cette erreur devient plus grave lors de la mesure de très petits signaux, tels que les sorties de capteurs au niveau microvolt ou millivolt.
La dérive signifie que le décalage ou le gain change au fil du temps. Cela est important dans les circuits de mesure industriels, automobiles et de précision car l’amplificateur peut ne pas rester à une température fixe. Les amplificateurs opérationnels généraux peuvent être acceptables pour un conditionnement de signal basique, mais les amplificateurs opérationnels de précision et les amplificateurs d’instrumentation sont meilleurs lorsqu’ils sont décalés et que la dérive doit être très faible. Par exemple, certains amplis opérationnels de précision à dérive nulle peuvent avoir une tension décalée dans la plage sub-microvolt et une dérive de décalage aussi basse que 0,005 μV/°C, selon l’appareil. La famille d’amplificateurs de précision OPAx189 de TI est un exemple qui liste des valeurs de décalage et de décalage très faibles pour la mesure de signal de précision.
5,5 Bande passante, vitesse de variation et réponse du signal
La bande passante indique la plage de fréquences qu’un amplificateur peut gérer sans perte majeure de signal. La vitesse de variation indique à quelle vitesse la tension de sortie peut changer, généralement mesurée en V/μs. Ces deux facteurs déterminent si l’amplificateur peut suivre avec précision des signaux d’entrée changeant rapidement. Si la bande passante est trop faible, les signaux hautes fréquences deviennent plus faibles. Si la vitesse de variation est trop faible, la sortie peut paraître déformée lorsque le signal change rapidement.
Pour les amplificateurs opérationnels, la bande passante est souvent liée au produit gain-bande passante. Cela signifie qu’à mesure que le gain en boucle fermée augmente, la bande passante utilisable diminue généralement. Par exemple, si un ampli opérationnel à rétroaction tension a un produit gain-bande passante de 10 MHz, il peut fournir environ 10 MHz de largeur de bande passante au gain de 1, mais seulement autour de 1 MHz au gain de 10, dans un cas simplifié. Le produit de gain et de bande passante en boucle fermée est une figure clé de mérite pour de nombreux amplis opérationnels à rétroaction de tension.
Les amplificateurs différentiels et d’instrumentation ont également des limites de bande passante, surtout à gain élevé. Les amplificateurs d’instrumentation sont souvent optimisés pour la précision et le rejet du bruit plutôt que pour une très grande vitesse, ce qui permet à leur largeur de bande se réduire à mesure que le gain augmente. Pour les signaux rapides, vous devriez vérifier à la fois la bande passante et le débit de slew dans la fiche technique. La bande passante pleine puissance doit généralement être plusieurs fois supérieure à la fréquence maximale du signal de sortie afin d’éviter la distorsion dans les conceptions d’amplificateurs à haute vitesse
Applications concrètes de chaque type d’amplificateur
Applications des amplificateurs opérationnels
Les amplificateurs opérationnels sont largement utilisés lorsqu’un circuit nécessite un contrôle flexible du signal. Ils peuvent amplifier des signaux faibles de tension, amortir un étage de circuit à partir d’un autre, filtrer les fréquences indésirables ou ajuster un signal avant qu’il ne soit envoyé à un ADC, un microcontrôleur ou un autre circuit analogique. Parce que le gain et la fonction sont définis par des composants de rétroaction externes, un circuit intégré d’ampli opérationnel peut supporter de nombreux rôles de circuit différents.
Un exemple courant est le LM358. C’est un amplificateur à double opération souvent utilisé dans les circuits analogiques sensibles au coût. Texas Instruments liste le LM358 comme un amplificateur opérationnel double 30 V et 700 kHz, ce qui le rend adapté au conditionnement général du signal, à l’amplification basse fréquence, aux circuits d’interface de capteurs et aux systèmes de contrôle analogiques de base. Par exemple, un LM358 peut être utilisé pour amplifier une petite tension de capteur avant qu’elle ne soit lue par un microcontrôleur, ou agir comme tampon de tension pour que l’étage du circuit suivant ne charge pas la source du signal.
Les amplificateurs opérationnels sont également courants dans les filtres actifs, préamplificateurs audio, suiveurs de tension, amplificateurs d’erreur dans les alimentations et circuits de détection de signal de type comparateur. Ils sont généralement le meilleur choix lorsque le circuit nécessite de la flexibilité plutôt que la plus grande précision de performance.
Applications des amplificateurs différentiels
Les amplificateurs différentiels sont utilisés lorsque le circuit doit mesurer la différence entre deux points de tension au lieu de mesurer une seule tension par rapport à la masse. Cela les rend utiles pour la détection de courant, la soustraction de tension, la réception équilibrée du signal, le retour de contrôle moteur et les circuits où du bruit indésirable apparaît sur les deux lignes d’entrée. En se concentrant sur la différence de tension, un amplificateur différentiel peut réduire le bruit partagé et extraire le signal utile.
Un vrai exemple de CI est l’AD8276 d’Analog Devices. L’AD8276 est un amplificateur à différence de gain unitaire conçu pour un conditionnement de signal de précision dans des applications à faible puissance. Il comprend des résistances internes à réglage laser, ce qui aide à améliorer la précision du gain et le rejet en mode commun par rapport à un simple amplificateur différentiel à résistances discrètes. Analog Devices liste les AD8276/AD8277 comme amplificateurs à différence polyvalents avec un taux de rejet en mode commun de 86 dB et une faible dérive de gain.
Dans les circuits réels, un dispositif comme l’AD8276 peut être utilisé pour la détection de courant, la mesure de tension de précision, la conversion d’une extrémité unique en différentielle et le conditionnement industriel du signal. Il est utile lorsque le concepteur a besoin d’une soustraction précise entre deux signaux mais n’a pas besoin de la performance complète de mesure des capteurs d’un amplificateur d’instrumentation.
Applications des amplificateurs d’instrumentation
Les amplificateurs d’instrumentation sont utilisés lorsque le circuit doit mesurer avec précision de très faibles signaux différentiels, surtout en présence de bruit. Ils sont courants dans les systèmes de capteurs car ils offrent une forte impédance d’entrée, un gain stable et un rejet en mode commun fort. Cela aide à empêcher que les signaux faibles des capteurs ne soient chargés ou déformés avant l’amplification.
Un exemple courant est l’INA333 de Texas Instruments. L’INA333 est un amplificateur d’instrumentation de précision à faible puissance conçu pour une mesure de signal précise. TI indique qu’il utilise un amplificateur d’instrumentation à trois amplis opérationnels et qu’une seule résistance externe peut régler le gain. Cela le rend utile pour les applications portables et basées sur capteurs où les petits signaux nécessitent une amplification propre.
Les amplificateurs d’instrumentation sont souvent utilisés avec des cellules de charge, des jauges de contrainte, des capteurs de pont, des thermocouples, des capteurs de pression, des capteurs biomédicaux et des systèmes d’acquisition de données. Par exemple, une cellule de charge peut produire seulement un faible signal de niveau millivolt lorsque le poids est appliqué. Un amplificateur d’instrumentation tel que l’INA333 peut amplifier ce petit signal différentiel tout en rejetant le bruit capté par les fils capteurs.
Sélection d’amplificateur d’exemple réel
| Cas d’utilisation du système | Type de signal | Exigence clé | Amplificateur recommandé | Pourquoi ça va bien |
|---|---|---|---|---|
| Amplificateur audio (du microphone vers le haut-parleur) | mV à V (à une seule extrémité) | Gain flexible, large bande passante | Amplificateur opérationnel (par exemple, TL072, LM358) | Gère l’amplification, le filtrage et le tampon du signal avec une conception simple |
| Surveillance du courant moteur | mV (en travers du dérivé, différentiel) | Rejet du bruit, immunité aux PWM | Amplificateur différentiel (par exemple, INA240) | Mesure la différence de tension et rejette le bruit de commutation |
| Système ECG médical | μV (différentiel très faible) | Haute précision, haut CMRR | Amplificateur d’instrumentation (par exemple, AD8232) | Amplifie les signaux faibles avec un fort rejet du bruit |
| Cellule de charge / Système de pesée | mV (capteur de pont) | Forte impédance d’entrée, gain stable | Amplificateur d’instrumentation (par exemple, INA333) | Empêche la charge des capteurs et assure une mesure précise |
| Contrôle de rétroaction de l’alimentation | V (à simple extrémité) | Gain stable, réponse rapide | Amplificateur Op | Utilisé comme amplificateur d’erreur pour la régulation de la tension |
| Interface de capteurs industriels | mV à V (différentiel ou à simple extrémité) | Précision et gestion du bruit | Amplificateur d’amplificateur ou d’instrumentation | Le choix dépend de la force du signal et du niveau de bruit |
| Détection de courant de batterie | mV (différentiel côté bas ou côté haut) | Précision, faible dérive | Amplificateur différentiel | Mesure avec précision une faible chute de tension à travers la résistance de dérivation |
Conclusion
Les amplificateurs opérationnels, les amplificateurs différentiels et les amplificateurs d’instrumentation répondent chacun à des besoins de signal différents. Utilisez un ampli opérationnel pour une amplification flexible, du tamponnage, du filtrage et du conditionnement général du signal. Utilisez un amplificateur différentiel lorsque le circuit doit comparer deux points de tension ou réduire le bruit partagé. Utilisez un amplificateur d’instrumentation pour mesurer de très petits signaux de capteurs nécessitant une grande précision, une forte impédance d’entrée et un fort rejet du bruit. Le choix du bon amplificateur dépend du type de signal, du niveau de bruit, de la précision, de la vitesse et des exigences du circuit.
