Amplificateur différentiel et amplificateur d'instrumentation : fonctionnement, différences et applications
Amplificateur différentiel
- 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.
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.
Le gain est exprimé par l'équation suivante:
Dans les circuits réels, la résistance 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
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.
Qu'est-ce qu'un amplificateur différentiel ?
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 :
Son fonctionnement idéal est représenté par l'équation suivante :
- Vout = Ad (V+ − V−)
où :
- Ad : gain différentiel ;
- V+ : tension d'entrée non inverseuse ;
- V− : tension d'entrée inverseuse.
L'objectif principal est d'éliminer les signaux parasites (bruit électrique, tensions de polarisation ou interférences) présents simultanément sur les deux entrées.
Fonctionnement réel d'un amplificateur différentiel
En pratique, les deux entrées ne présentent jamais exactement le même gain.
Par conséquent, le rejet du mode commun n'est pas parfait et une composante parasite apparaît à la sortie.
La tension de sortie réelle est donnée par :
Vout = Ad (V+in − V−in) + Ac ((V+in + V−in) / 2)
avec :
- Ad : gain différentiel ;
- Ac : gain en mode commun.
Plus le gain en mode commun (Ac) est faible, meilleure est la qualité de l'amplificateur.
Qu'est-ce qu'un amplificateur d'instrumentation ?
L'amplificateur d'instrumentation est une évolution de l'amplificateur différentiel spécialement conçue pour les systèmes de mesure de haute précision.
Il est utilisé lorsque les signaux à mesurer sont très faibles et susceptibles d'être perturbés par le bruit électrique.
Son principal objectif est de :
- amplifier uniquement le signal utile ;
- rejeter les perturbations communes ;
- offrir une très forte impédance d'entrée ;
- améliorer la précision des mesures.
Construction d'un amplificateur d'instrumentation
L'amplificateur d'instrumentation est généralement constitué de trois amplificateurs opérationnels.
Deux amplificateurs tampons
Les deux premiers amplificateurs fonctionnent comme des tampons (buffers).
Leur rôle est de :
- fournir une très forte impédance d'entrée ;
- éviter de charger le capteur ;
- isoler la source du signal.
Un amplificateur différentiel
Le troisième amplificateur constitue un amplificateur différentiel classique.
Il compare les deux signaux issus des tampons et amplifie uniquement leur différence.
L'ensemble est complété par un réseau de résistances assurant la rétroaction et le réglage du gain.
Calcul du gain de l'amplificateur d'instrumentation
Le gain est exprimé par :
Av = Vout / (Vin₂ − Vin₁) = (1 + (2R6 / Rd))
où :
- Vin₁ et Vin₂ sont les tensions d'entrée ;
- Rd est la résistance de réglage du gain ;
- R6 représente la résistance de rétroaction des amplificateurs tampons.
Dans les applications pratiques, Rd est souvent remplacée par :
- un potentiomètre ;
- un réseau de résistances sélectionnables ;
- un commutateur de gain.
Cette solution permet d'ajuster facilement le gain de l'amplificateur.
Rôle de la résistance Rd
La résistance Rd joue un rôle essentiel dans les performances de l'amplificateur d'instrumentation.
Elle permet :
- d'augmenter le gain différentiel ;
- de conserver un gain en mode commun proche de l'unité ;
- d'améliorer le taux de réjection du mode commun (CMRR) ;
- d'éviter l'écrêtage lorsque des tensions communes importantes sont présentes.
Grâce à cette configuration, l'amplificateur d'instrumentation offre des performances bien supérieures à celles d'un simple amplificateur différentiel.
Amplificateur différentiel vs amplificateur d'instrumentation
Comparaison des signaux d'entrée et de sortie
Lorsqu'un amplificateur d'instrumentation est constitué de deux amplificateurs tampons suivis d'un amplificateur différentiel, un signal de mode commun (offset ou bruit) peut être ajouté aux deux entrées.
Après amplification, on observe que :
- le signal différentiel est amplifié ;
- le signal de mode commun est pratiquement supprimé ;
- la tension de sortie représente essentiellement le signal utile.
Cette excellente réjection du mode commun constitue l'un des principaux avantages de l'amplificateur d'instrumentation.
Applications des amplificateurs d'instrumentation
Les amplificateurs d'instrumentation sont largement utilisés dans :
- les systèmes d'acquisition de données ;
- les instruments de mesure électroniques ;
- les capteurs industriels ;
- les ponts de Wheatstone ;
- les systèmes de contrôle industriels ;
- les équipements biomédicaux ;
- les appareils de laboratoire.
Conclusion
L'amplificateur différentiel constitue la base de nombreux circuits analogiques en permettant d'amplifier la différence entre deux signaux tout en limitant les perturbations communes. L'amplificateur d'instrumentation reprend ce principe et l'améliore grâce à l'ajout de deux amplificateurs tampons, offrant ainsi une impédance d'entrée élevée, un excellent taux de réjection du mode commun (CMRR) et une grande précision. Ces caractéristiques en font un composant incontournable dans les systèmes de mesure, d'instrumentation et d'acquisition de données.
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