De nombreux instruments de test utilisés aujourd'hui dans l'industrie ont des entrées basées sur des amplificateurs d'instrumentation.
Ce type d'amplificateur, est lui-même basé sur une configuration d'un amplificateur différentiel. Il peut être utile de comprendre en quoi ces deux dispositifs diffèrent.
Amplificateur differentiel
Un amplificateur différentiel amplifie idéalement la différence entre deux tensions d'entrée, mais supprime toute tension commune à ses deux entrées. Idéalement, la sortie de l'amplificateur différentiel est conforme à l'équation suivante :
- Vout = Ad (V+ - V-)
- Ad est le gain différentiel
- V+ et V- sont les deux tensions d'entrée. En réalité, les deux entrées d'un amplificateur différentiel ont des gains inégaux.
Par conséquent, même avec des entrées égales, la réjection de mode commun n'est pas absolue et l'amplificateur aura une sortie non nulle. En tenant compte de cela, l'équation de la tension de sortie devient :
Vout = Ad (V+in - V-in) + Ac ((V+in + V-in)/2)
Ac est appelle le gain en mode commun de l'amplificateur.
Pour éliminer les signaux (bruit, tensions de polarisation, etc.) qui apparaissent aux deux entrées, il est souhaitable d'avoir un faible gain en mode commun. Il est réalisé en alimentant la sortie de l'amplificateur à travers une résistance appropriée dans l'entrée négative.
L'Amplificateur d'instrumentation, basé sur l'amplificateur différentiel, contourne ce problème. Un Amplificateur d'instrumentation consiste en un ampli différentiel avec un amplificateur tampon sur chaque entrée.
L'objectif des amplificateurs tampons est d'éliminer la nécessité d'une adaptation d'impédance entre l'entrée de l'amplificateur et l'objet sous test ou tout ce qui génère le signal d'entrée.
L'amplificateur d'instrumentation est souvent expliqué à l'aide d'un modèle composé de trois amplificateurs avec sept résistances fournissant une rétroaction négative. Sur les trois amplificateurs, l'un d'eux tamponne chaque entrée. Le troisième est un amplificateur différentiel conventionnel.
Le gain est exprimé par l'équation suivante
Av = Vout/(Vin2 - Vin1 )= (1 + (2R6 / Rd))
où Vin2 et Vin1 sont les tensions d'entrée, R est la résistance de rétroaction standard pour l'amplificateur différentiel, R5 et R6 est la résistance de rétroaction pour les deux tampons d'entrée à gain unitaire, et le gain de l'étage différentiel vaut 1.
La résistance Rd entre les deux entrées inverseurs permet d'augmenter le gain en mode différentiel des amplificateurs tampons tout en laissant le gain en mode commun égal à un. Cela augmente le taux de réjection en mode commun du circuit et permet aux amplificateurs tampons de traiter des signaux en mode commun plus importants sans écrêtage, ce qui ne serait pas le cas s'ils étaient séparés et avaient des gains identiques.
Dans les circuits réels, la resistance Rd prend souvent la forme de résistances sélectionnables par commutateur ou d'un potentiomètre.
Le gain idéal en mode commun d'un amplificateur d'instrumentation est nul. Dans le modèle à trois amplificateurs, le gain en mode commun provient de la disparité des rapports de résistance et de la disparité des gains en mode commun des deux amplificateurs d'entrée. Il peut être difficile de faire correspondre étroitement les résistances lors de la fabrication de ces circuits, tout comme l'est l'optimisation des performances en mode commun.
Il convient de noter que le signal intermédiaire dans l'amplificateur d'instrumentation conventionnel à trois opérateurs contient à la fois la tension différentielle amplifiée et la tension de mode commun d'entrée. Cependant, le premier étage de l'architecture de rétroaction assure toute la réjection du mode commun. Le deuxième étage offre ensuite tout le gain différentiel et renforce la réjection en mode commun.
Comparaison des signaux
Signaux Amplificateur d'instrumentation
Les signaux de sortie et d'entrée d'un amplificateur d'instrumentation formée par 2 amplificateurs tampons et 1 amplificateur différentiel,on ajoute au circuit offset a l'entré , on remarque que le mode commun a disparaît au niveau de la tension de sortie.
Signaux Amplificateur differentiel
Les signaux de sortie et d'entrée d'un amplificateur differentiel munis d'un offset a l'entré de circuits , on remarque qu'il y a un décalage de la tension de sortie.
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