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Introduction aux amplificateurs opérationnels dans les systèmes d'instrumentation

Les amplificateurs opérationnels (op-amps) représentent l'un des éléments de construction les plus polyvalents et essentiels des systèmes d'instrumentation modernes. Ces circuits intégrés servent de base au conditionnement des signaux, à l'amplification, au filtrage et au traitement dans de nombreuses applications allant du diagnostic médical à l'automatisation industrielle.

Les caractéristiques uniques de l'amplificateur opérationnel, y compris le gain de boucle ouverte extrêmement élevé, l'impédance d'entrée élevée, l'impédance de faible sortie et la large bande passante, le rendent idéal pour les applications de mesure de précision. Lorsqu'il est configuré avec des réseaux de rétroaction appropriés, les amplificateurs op peuvent effectuer une variété remarquable de fonctions, dont l'amplification de tension, la conversion de courant à tension, le filtrage actif, le tamponnage de signal et les opérations mathématiques telles que l'addition, la soustraction, l'intégration et la différenciation.

Dans les applications d'instrumentation, les amplificateurs d'op doivent souvent manipuler des signaux extrêmement petits en présence de bruit et d'interférences. La capacité d'extraire des informations significatives de faibles sorties de capteurs tout en rejetant le bruit en mode commun et en maintenant l'intégrité des signaux tout au long de la chaîne de mesure représente un défi fondamental que la conception appropriée des circuits d'op-amp aborde.

Caractéristiques fondamentales des op-amps pour l'instrumentation

Impédance d'entrée élevée et faible taux de divergence d'entrée courant

L'impédance d'entrée est l'un des paramètres les plus critiques pour les applications instrumentales. L'impédance d'entrée élevée garantit que l'amplificateur op ne charge pas la source de signal, ce qui est particulièrement important pour la mesure des signaux provenant de capteurs à haute impédance tels que les électrodes de pH, les transducteurs piézoélectriques ou les électrodes biomédicales.

Les app-amps d'entrée JFET offrent des courants de biais d'entrée de moins de 1 pA, ce qui en fait d'excellents choix pour les applications où même un courant minimal de la source causerait des erreurs de mesure. Ceci est particulièrement pertinent dans les instruments biomédicaux où le courant de biais d'entrée des amplificateurs frontaux peut polariser l'électrode en cas de mauvais contact avec la peau.

Gain en boucle ouverte et considérations de largeur de bande

Un amplificateur opérationnel typique pourrait avoir un gain de tension de 200 000, ce qui pourrait fournir la base de configurations précises en boucle fermée. Cependant, ce gain élevé est dû à la limitation de la bande passante du produit de gain inhérente à la conception de l'amp.

L'architecture interne des amplificateurs opérationnels se compose généralement de trois étapes principales. L'étape d'entrée est un amplificateur différentiel qui fournit des entrées différentielles et une réponse de fréquence vers le bas à DC. La seconde étape est un amplificateur de tension haute-gain fait de plusieurs transistors pour fournir un gain élevé, la plupart de ce gain provenant de l'amplificateur de tension.

Taux de rejet à modes courants (RMRC)

Le rapport de rejet en mode commun représente la capacité d'un amplificateur à rejeter les signaux apparaissant également sur les deux entrées tout en amplifiant le signal différentiel. Ce paramètre est absolument critique dans les applications d'instrumentation où les capteurs peuvent être situés loin de l'électronique de mesure, en captant les interférences électromagnétiques et les différences potentielles au sol le long du chemin.

Si un circuit d'amplificateurs op standard était utilisé dans certaines applications, il amplifierait simplement la tension du signal et toute tension de courant continu, bruit ou autre tension de mode commun, et par conséquent, le signal resterait enfoui sous le décalage et le bruit de courant continu.

Configurations de base de l'op-amp pour l'instrumentation

Configuration de l'amplificateur non inversé

La configuration de l'amplificateur non inversé est l'une des topologies les plus couramment utilisées dans l'instrumentation en raison de son impédance d'entrée élevée. Dans cette configuration, le signal d'entrée est appliqué au terminal d'entrée non inversé, tandis qu'un réseau de rétroaction composé de deux résistances détermine le gain de boucle fermée. La tension de sortie est en phase avec l'entrée, et le gain est déterminé par le rapport des résistances de rétroaction plus un.

Cette configuration est particulièrement utile lors de l'interfaçage avec des capteurs à haute impédance car elle présente un chargement minimal à la source. Le concept de sol virtuel garantit que l'entrée de l'inversion suit la tension à l'entrée non-invertante, créant un point d'exploitation stable qui dépend uniquement des valeurs de résistance externes et non des paramètres internes de l'ampop.

Configuration de l'amplificateur de retournement

La configuration de l'amplificateur de retournement permet un contrôle précis des gains et d'excellentes caractéristiques de réponse de fréquence. Bien qu'elle ait une impédance d'entrée inférieure à la configuration de non-inversion due à la résistance d'entrée connectée au nœud de sol virtuel, elle offre des avantages dans certaines applications, notamment une plus grande facilité d'implantation des amplificateurs de somme et la capacité de réaliser des gains inférieurs à l'unité.

La configuration de l'inversion est souvent préférée dans les conceptions de filtres actifs et les applications de traitement de signaux où plusieurs signaux doivent être combinés. Le sol virtuel de l'entrée d'inversion simplifie l'analyse de circuit et fournit des performances prévisibles dans une large gamme de conditions d'exploitation.

Configuration du suiveur de tension (buffer)

Le témoin de tension ou tampon de gain d'unité représente un cas particulier de l'amplificateur non inversé où la sortie est connectée directement à l'entrée de l'inversion. Cette configuration permet de gagner en unité avec une impédance d'entrée extrêmement élevée et une impédance de sortie très faible, ce qui en fait l'idéal pour la transformation de l'impédance et les applications de tampon de signal.

Les tampons sont essentiels dans les systèmes d'instrumentation pour isoler les sources de haute impossibilité des circuits subséquents, empêchant ainsi les effets de charge qui fausseraient le signal mesuré. Ils servent également à conduire des câbles longs ou des charges multiples sans dégradation du signal.

Amplificateurs différentiels et circuits de sous-tracteur

Conception de l'amplificateur différentiel de base

La forme la plus simple de l'amplificateur d'instrumentation est l'amplificateur de différence, un amplificateur op avec quatre résistances de précision. Cette configuration amplifie la différence entre deux signaux d'entrée tout en rejetant idéalement toute tension de mode commun présente sur les deux entrées.

Pour un rejet optimal en mode commun, les rapports de résistance doivent être assortis avec précision. Même de petites erreurs dans les valeurs de résistance peuvent dégrader significativement les performances CMRR. Une grande précision de gain peut être obtenue en utilisant des résistances de film métallique de précision pour toutes les résistances, assurant une performance stable et répétable sur la température et le temps.

Limites des amplificateurs différentiels simples

Bien que l'amplificateur différentiel de base offre des fonctionnalités utiles, il souffre de plusieurs limitations dans les applications d'instrumentation de précision. L'impédance d'entrée est limitée par les résistances d'entrée, qui peuvent charger des sources de haute impuissance.

Les inconvénients considérables des amplificateurs différentiels comprennent une impédance d'entrée très faible en raison des résistances d'entrée et une CMRR très faible en raison du gain de mode commun élevé.

Architecture et conception de l'amplificateur d'instrumentation

Trois amplificateurs d'instrumentation Op-Amp

Les amplificateurs d'instrumentation les plus utilisés sont trois amplificateurs op, où un amplificateur non inversé est connecté à chaque entrée de l'amplificateur différentiel, ce qui fournit une impédance d'entrée élevée pour la mesure exacte des données d'entrée des transducteurs.

La configuration des trois amplificateurs op se compose de deux étapes distinctes. Les amplificateurs op-amp A1 et A2 sont des amplificateurs non inversés qui forment ensemble une étape d'entrée, tandis que l'amplificateur op-amp A3 est un amplificateur de différence qui forme la phase de sortie.

Cette configuration présente les avantages distincts de posséder des impédances d'entrée extrêmement élevées sur les entrées car elles se connectent directement aux entrées non inversées de leurs op-amps respectifs, et un gain réglable qui peut être réglé par une seule résistance. Ce réglage de gain monorésistant représente un avantage pratique majeur sur les simples amplificateurs différentiels.

Contrôle et ajustement des gains

La gain de tension d'un amplificateur d'instrumentation est principalement déterminé par une seule résistance externe, souvent appelée résistance à gain (RG), connectée entre les deux amplificateurs d'op tampon d'entrée, et ce contrôle simplifié de gain a un avantage significatif sur un amplificateur différentiel tampon standard.

La relation entre la résistance au gain et l'amplification globale suit une relation mathématique bien définie. Le gain le plus bas possible avec le circuit est obtenu avec la résistance au gain complètement ouverte (résistance infinie), et cette valeur de gain est 1. Cela fournit une large gamme de réglage du gain de l'unité à plusieurs milliers, en fonction de la valeur de résistance sélectionnée.

Deux amplificateurs d'instrumentation Op-Amp

Bien que la configuration des trois amplificateurs op reste la plus populaire, deux modèles d'amplificateurs op-amp offrent des avantages dans certaines applications, notamment pour le fonctionnement d'une seule alimentation et les conceptions sensibles aux coûts.

Deux modèles d'amplificateurs op intègrent généralement plus étroitement les fonctions de tamponnage d'entrée et d'amplification différentielle, en utilisant des topologies de circuits intelligents pour maintenir un CMRR raisonnable tout en réduisant le nombre de composants actifs.

Conception active de filtre avec des amplis d'op

Configurations des filtres à faible passe

Les filtres actifs à passe basse utilisant des amplificateurs op permettent de conditionner les signaux en atténuant le bruit et les interférences à haute fréquence tout en passant les signaux à basse fréquence souhaités. Ces filtres offrent des avantages par rapport aux modèles passifs, y compris le gain, aucune perte d'insertion et la capacité d'atteindre des fonctions de transfert complexes sans utiliser d'inducteurs.

Le filtre Butterworth utilisant la topologie de Sallen-Key permet au filtre d'amplifier le signal tout en supprimant les composants haute fréquence, avec une fréquence de coupure de 49.4 Hz fréquences d'atténuation plus élevées que cette fréquence, en supprimant efficacement l'interférence électromagnétique (EMI) du système d'alimentation électrique à 60Hz. Ceci démontre l'application pratique de filtres actifs dans le rejet de l'interférence de la ligne d'alimentation dans l'instrumentation biomédicale.

Un filtre à passe basse à clé Sallen utilisant un circuit d'amplificateur op-amp avec une faible distorsion harmonique totale (DTH) garantit que la réponse de phase reste linéaire dans la bande passante, et pour l'EEG, où l'information de phase est critique pour la localisation de la source, une caractéristique de filtre Bessel est souvent choisie sur Butterworth pour minimiser la distorsion de retard de groupe, la bande passante étant limitée strictement à la plage physiologique réduisant significativement la puissance sonore totale intégrée.

Configurations de filtres à passe élevé

Les filtres à passe haute éliminent les décalages continus et la dérive à basse fréquence des signaux de mesure, qui est particulièrement importante dans les systèmes d'instrumentation couplés à des systèmes de courant alternatif.

La fréquence de coupure des filtres à passes élevées doit être soigneusement sélectionnée pour éliminer les composants de courant continu non désirés tout en préservant les composants de fréquence les plus bas qui présentent un intérêt pour le signal mesuré.

Conception du filtre de passe-bande

Les filtres à passe-bande combinent les caractéristiques de passage à haute et de passage à basse fréquence pour sélectionner une gamme de fréquences spécifique tout en rejetant la dérive à basse fréquence et le bruit à haute fréquence.

Grâce à des composants de précision disponibles sur le marché, une bande passante de 0,38–44 Hz (± 5%) peut être mise en œuvre, adaptée à la plupart des applications ECG et EEG. Ceci démontre comment la conception active du filtre adapte la réponse de fréquence aux exigences spécifiques des différents signaux biomédicaux.

Mise en œuvre du filtre à encoches

Les filtres Notch, également appelés filtres à bande ou à arrêt, atténuent une bande de fréquences étroite tout en passant toutes les autres fréquences. L'application la plus courante dans l'instrumentation est de rejeter l'interférence de la ligne de puissance à 50 Hz ou 60 Hz, selon la région géographique.

Les filtres actifs à encoche utilisant des ampères op peuvent atteindre une très grande atténuation à la fréquence de l'entaille avec un effet minimal sur les fréquences adjacentes. Le facteur de qualité (Q) de l'entaille détermine la limite de la bande de rejet, avec des valeurs Q plus élevées fournissant un filtrage plus sélectif mais aussi une plus grande sensibilité aux tolérances des composants.

Considérations relatives au bruit dans les circuits d'instrumentation de l'op-amp

Comprendre les sources de bruit

Le bruit dans les circuits d'amplificateurs op provient de sources multiples, notamment le bruit thermique dans les résistances, le bruit de tir dans les jonctions semi-conducteurs et le bruit de clignotant (1/f) dans les dispositifs actifs.

Le bruit thermique résulte du mouvement du porteur et apparaît comme du bruit blanc, tandis que le bruit de clignotement (1/f) est dominant à basse fréquence et causé par le piégeage de charge dans les MOSFET, le bruit de tir étant mineur dans les conceptions CMOS.

Bruit et densité sonore référencés par entrée

Le bruit de référence représente la tension ou le courant sonore équivalent à l'entrée de l'amplificateur qui produirait le bruit de sortie observé. Cette mesure permet une comparaison équitable entre les différents modèles d'amplificateur et permet de prédire le rapport signal-bruit réalisable dans une application donnée.

Les amplificateurs opérationnels à faible bruit spécialement conçus pour les applications d'instruments biomédicaux comme l'acquisition de signaux ECG et EEG peuvent produire un bruit d'entrée d'environ 9,5 nV/ √Hz à 1 kHz, un gain en boucle ouverte de 84 dB, un produit de la largeur de bande de gain de 1,2 MHz, et ne consommer que 87 μW de puissance provenant d'une alimentation de 1,8 V.

Techniques d'optimisation du bruit

Pour obtenir d'excellentes performances sonores sans s'appuyer sur des techniques complexes comme la stabilisation de l'hélico ou le décrochage automatique, il est possible de se concentrer sur l'optimisation du niveau des transistors, le biaisage approprié et la sélection topologique pour minimiser le bruit thermique et le bruit de la visière, ce qui permet une conception simple et efficace de l'amplificateur.

Les stratégies pratiques de réduction du bruit comprennent la sélection de dispositifs d'ampli op-bruit à faible bruit adaptés à la gamme de fréquences, la réduction des valeurs de résistance dans les voies de signalisation critiques pour réduire le bruit thermique, l'utilisation de techniques appropriées de mise à la terre et de blindage, et la mise en œuvre de filtrages appropriés pour limiter la bande passante sonore à ce qui est nécessaire pour l'application.

Effets d'impédance sur le bruit

L'impédance source interagit avec le bruit de courant d'entrée de l'amp-op pour créer un bruit de tension supplémentaire à l'entrée. Cet effet devient particulièrement significatif avec les sources de haute impédance, où même les courants de biais d'entrée de niveau picoampère peuvent générer des tensions de bruit de niveau microvolt.

Le courant de biais d'entrée (Ib) qui traverse la résistance de l'amplificateur génère une tension de décalage supplémentaire qui doit être ajoutée aux erreurs d'entrée, et les sources de signaux d'impédance élevées peuvent causer de graves problèmes de décalage avec les amplificateurs d'instrumentation d'entrée transistor bipolaire, de sorte que dans ces applications, les amplificateurs de courant de biais faible FET sont recommandés pour minimiser les erreurs avec des résistances de source très élevées.

Applications d'instrumentation médicale

Traitement des signaux par électrocardiographie (ECG)

Les systèmes d'électrocardiographie (ECG) mesurent l'activité cardiaque au fil du temps en mesurant les potentiels électriques à la surface du tissu vivant, avec des stimuli nerveux et des contractions musculaires détectés en mesurant le débit de courant ionique dans le corps à l'aide d'une électrode biopotentielle.

Dans le cas d'un ECG, la tension différentielle sur le thorax d'une personne (le signal cardiaque) est généralement de 1,8 mV en amplitude sur un décalage de dc jusqu'à 300 mV, et l'énormité du décalage de dc, par rapport au signal cardiaque, limite la quantité de gain appliquée aux amplificateurs frontaux.

Les concepteurs utilisent souvent de grands rails de ±7,5 V pour gérer l'environnement grave dans lequel le dispositif ECG doit travailler, comme les salles d'opération (OR), où un circuit frontal ECG verra des signaux interférants tels que l'ablation, la cautérisation électrique, la défibrillation, le pacing externe, le pacing interne, la télémétrie sur champ H et une multitude d'autres signaux, et certains amplificateurs ont des architectures rail-rail qui permettent aux concepteurs de fixer des gains plus élevés.

Électroencéphalographie (EEG) Amplification

L'électroencéphalographie (EEG) est un outil de diagnostic courant en pratique clinique qui fournit une fenêtre vitale pour observer l'activité fonctionnelle dans le cerveau, et les récents développements dans les appareils sans fil et les réseaux de télécommunications cellulaires ont permis une connexion en temps réel des données entre les appareils EEG aux hôpitaux situés à distance.

Un amplificateur à piles pour EEG contient un amplificateur d'instrumentation, deux amplificateurs non inversés, deux filtres à passe-haut et un filtre passe-bas, et est capable de grossir les signaux EEG plus de 10 000 fois avec une impédance élevée, un bruit faible, une petite taille et un poids faible.

La première amplification du signal EEG utilise l'amplificateur d'instrumentation INA118, qui offre une excellente précision, a un haut taux de rejet en mode commun (CMRR) et est capable d'amplifier la petite différence de signal jusqu'à la gamme des microvolts, avec un CMRR élevé (environ 110 dB) étant critique en raison du potentiel relativement élevé de demi-cellules dans l'électrode à vis de peau.

Les signaux EEG d'intérêt se situent entre 10 μV et 100 μV, sur une plage de fréquence de 1 à 50 Hz, ce qui nécessite une amplification extrêmement faible en bruit avec une attention particulière à la conception de l'interface des électrodes et au rejet en mode commun.

Systèmes d'électromyographie (EMG)

L'électromyographie (EMG) enregistre l'activité électrique produite par les muscles squelettiques, en enregistrant divers types de signaux musculaires, de la relaxation simple à la rétroaction neuromusculaire complexe pendant la réadaptation des AVC, avec des signaux EMG obtenus à partir d'électrodes appliquées sur ou à proximité des muscles à surveiller et à déléguer à l'unité d'amplificateur, généralement composée d'amplificateurs différentiels à haute performance.

Les signaux EMG ont généralement des amplitudes plus élevées que les signaux EEG, mais nécessitent toujours une conception attentive de l'amplificateur pour obtenir un rapport signal-bruit adéquat. La teneur en fréquence des signaux EMG s'étend aux fréquences plus élevées que les signaux ECG ou EEG, ce qui nécessite des amplificateurs ayant les caractéristiques de bande passante appropriées.

Exigences communes de conception pour les amplificateurs biomédicaux

Les amplificateurs bio sont des amplificateurs à potentiel biologique différentiel à haute performance, isolés de façon galvanique, optimisés pour mesurer une grande variété de signaux biologiques tels que les enregistrements ECG/EKG, EMG, EOG et EEG, conçus spécifiquement pour l'acquisition de signaux bio tels que les potentiels d'action et les fluctuations de tension de surface, avec une impédance d'entrée élevée et un taux de rejet en mode commun (CMRR) permettant une réduction du bruit sur une bande passante ultra-haute.

Les amplificateurs opérationnels sont essentiels dans les fronts biomédicaux analogiques, utilisés pour amplifier les signaux physiologiques faibles comme ECG, EEG et EMG qui se trouvent dans la gamme microvolt à millivolt, rendant essentielle l'amplification à faible bruit et à haute fidélité, nécessitant un bruit à faible valeur d'entrée pour préserver la qualité des signaux et une faible consommation d'énergie pour les dispositifs médicaux portables et portables.

Conditionnement des signaux de capteurs industriels

Amplification des thermocouples

Les thermocouples génèrent des tensions extrêmement faibles proportionnelles aux différences de température, généralement dans la gamme de microvolts par degré Celsius. L'amplification de ces signaux nécessite des ampères op avec une tension offset très faible, une faible dérive et une excellente performance sonore.

Les amplificateurs d'instrumentation sont idéaux pour les applications de thermocouples car ils fournissent une impédance d'entrée élevée, éliminant les effets de charge sur la jonction de thermocouples et un excellent rejet en mode commun pour éliminer les erreurs de boucle de sol.

Amplification du pont de jauge de souche

Les jauges de déformation sont généralement configurées dans des arrangements de pont de Wheatstone qui produisent de petites tensions différentielles proportionnelles à la contrainte mécanique. Ces signaux nécessitent une amplification de précision avec une CMRR élevée pour rejeter la tension en mode commun présente à la sortie de pont tout en amplifiant le petit signal différentiel.

De nombreuses applications industrielles et de consommation exigent la mesure et le contrôle des conditions physiques, telles que les mesures de la température et de l'humidité à l'intérieur d'une usine laitière pour maintenir avec précision la qualité du produit, ou le contrôle précis de la température d'un four en plastique pour produire une qualité particulière de plastique, et ces changements dans les conditions physiques doivent être convertis en quantités électriques à l'aide de transducteurs, puis amplifiés.

Les amplificateurs d'instrumentation excellent dans les applications d'amplification de pont parce qu'ils peuvent être configurés pour fournir le gain nécessaire tout en maintenant la tension d'excitation de pont dans des limites sûres.

Interfaçage du transducteur de pression

Les capteurs de pression, en particulier les types piézorésistifs, utilisent souvent des configurations de pont semblables aux jauges de contrainte. Les signaux de sortie se situent généralement dans la gamme millivolt pour les changements de pression à grande échelle, nécessitant une amplification de précision avec compensation de température pour obtenir des mesures précises sur de larges plages de température de fonctionnement.

Les circuits d'amplificateurs pour les capteurs de pression doivent tenir compte de l'offset du capteur, des variations de sensibilité avec la température et de la non-linéarité.

pH Amplification des électrodes

Les électrodes de pH présentent l'une des exigences de conditionnement de signal les plus difficiles en raison de leur impédance de sortie extrêmement élevée, dépassant souvent 100 megohms. Cela nécessite des amplificateurs avec impédances d'entrée dans la gamme téraohm et des courants de biais d'entrée dans la gamme femtoampere pour éviter les erreurs de chargement.

Les amplificateurs d'entrée JFET ou MOSFET sont essentiels pour les applications de mesure du pH. L'amplificateur doit également fournir une compensation de température car la sensibilité aux électrodes du pH varie avec la température.

Conception du système d'acquisition de données

Architecture analogique de la façade

L'avant-plan analogique (AFE) d'un système d'acquisition de données conditionne les signaux des capteurs avant la numérisation, ce qui comprend généralement l'amplification, le filtrage et le transfert de niveau pour correspondre à la plage d'entrée du convertisseur analogique-numérique (ADC).

Une AFE bien conçue maximise l'utilisation de la plage dynamique de l'ADC en élargissant le signal du capteur pour occuper autant de la plage d'entrée de l'ADC que possible sans coupure, ce qui nécessite un bon étalonnage et une prise en compte des extrêmes de signal, y compris le bruit, le décalage et les niveaux de signal maximums attendus.

Mise en œuvre du filtre anti-aléa

Les filtres anti-aliasifs empêchent les signaux à haute fréquence et le bruit de se replier dans la bande passante de mesure pendant le processus de prélèvement. Ces filtres doivent fournir une atténuation adéquate aux fréquences supérieures à la fréquence Nyquist (la moitié de la vitesse de prélèvement) tout en maintenant une réponse plate et une phase linéaire dans la bande passante.

Les filtres anti-aliasants actifs utilisant des amplificateurs op offrent des performances supérieures à celles des modèles passifs, offrant des caractéristiques de coupure nettes sans perte d'insertion. Les filtres Butterworth ou Bessel à pôles multiples sont généralement mis en œuvre en cascade avec des étapes Sallen-Key, chaque étape contribuant à la réponse globale du filtre.

Voies d'entrée multiplexées

Les systèmes d'acquisition de données multicanaux utilisent souvent des multiplexeurs analogiques pour partager un seul CDA entre plusieurs canaux d'entrée, ce qui nécessite une réflexion attentive sur le temps de règlement, car l'amplificateur doit se fixer à la valeur finale après chaque commutateur de canal avant le début de la conversion de CDA.

Les amplificateurs d'échantillons et de prises ou les circuits de suivi et de prises utilisant des amplificateurs op peuvent améliorer le débit dans les systèmes multiplexés en captant la valeur du signal et en le maintenant constant pendant le temps de conversion ADC. Cela permet au multiplexeur de passer au canal suivant pendant que la conversion courante se termine.

Considérations relatives à l'opération à fournisseur unique

De nombreux systèmes modernes d'acquisition de données fonctionnent à partir de tensions d'alimentation unique pour réduire la consommation d'énergie et simplifier la conception de l'alimentation, ce qui nécessite des amplificateurs op capables d'entrer et de sortir du rail vers le rail pour maximiser la portée dynamique dans la tension d'alimentation limitée.

L'exploitation d'une seule alimentation pose des défis, notamment une plage d'entrée en mode commun limitée et la nécessité pour les réseaux de biais en courant continu de positionner les niveaux de signal de manière appropriée.

Applications de traitement de signaux audio

Préamplificateurs de microphone

Les préamplificateurs de microphone doivent fournir une amplification à faible bruit des petits signaux générés par les éléments du microphone tout en maintenant une large bande passante et une faible distorsion.

Les op-amplis à faible bruit avec large bande et faible distorsion harmonique totale sont essentiels pour les applications audio à haute fidélité. Le préamplificateur doit également fournir une impédance d'entrée appropriée pour le type de microphone et peut inclure la production de puissance fantôme pour les microphones condenseurs.

Circuits de contrôle des tons actifs

Les circuits de contrôle actif de tonalité utilisant des amplificateurs op offrent une configuration de réponse de fréquence réglable pour les signaux audio. Ces circuits offrent des avantages sur les contrôles passifs de tonalité, y compris aucune perte d'insertion, la capacité de fournir à la fois boost et coupe, et une interaction minimale entre les contrôles de basse et de tréble.

De multiples topologies de rétroaction et des configurations de filtres variables d'état permettent des fonctions d'égalisation sophistiquées avec un contrôle précis sur la fréquence centrale, la bande passante et le gain.

Amplificateurs de distribution audio

Les amplificateurs de distribution tamponnent les signaux audio et conduisent plusieurs sorties sans charger la source. Les amplificateurs Op configurés comme tampons de gain d'unité ou amplificateurs à faible gain fournissent la capacité de courant nécessaire pour alimenter plusieurs destinations tout en maintenant l'intégrité du signal.

L'impédance de faible puissance et la capacité de conduire des charges capacitives sont des exigences critiques pour les amplificateurs de distribution. La stabilité doit être maintenue lors de la conduite de câbles longs, qui peuvent présenter une charge capacitive importante à haute fréquence.

Techniques de conception avancées

Compensation de la tension de compensation

La tension offset d'entrée représente la tension différentielle qui doit être appliquée aux entrées de l'amp-op pour forcer la sortie à zéro. Bien que les am-op-amps de précision modernes aient des tensions offset dans la gamme microvolt, même ces petits décalages peuvent être importants lorsque l'amplificateur de très petits signaux ou l'utilisation d'un gain élevé.

Les techniques de compensation de compensation de compensation comprennent le parage externe à l'aide de potentiomètres connectés à des broches offset dédiées, des circuits de décrochage automatique qui mesurent et annulent périodiquement le décalage, et des amplificateurs stabilisés par hélico pour moduler le signal afin d'éviter le décalage et la dérive à basse fréquence.

Stratégies de minimisation de la dérive

La dérive de la température de la tension offset et du courant de distorsion peut causer des erreurs importantes dans les systèmes d'instrumentation de précision fonctionnant sur de larges plages de température.

Les considérations de conception thermique, notamment le bon enfoncement de chaleur, l'isolement thermique des composants générateurs de chaleur et les réseaux de compensation de température, contribuent à maintenir la précision sur la température.

Techniques de protection et de blindage

La protection consiste en l'entourage de nœuds de circuit à haute impédance avec un bouclier entraîné au même potentiel que le nœud, éliminant les courants de fuite qui, autrement, se déverseraient par résistance à l'isolation ou sur les surfaces de circuit imprimé.

Un blindage approprié protège les circuits sensibles contre les interférences électromagnétiques. Les boucliers doivent être reliés au point de référence approprié, généralement au sol ou à la tension du mode commun, pour rejeter efficacement les interférences sans créer de boucles au sol ou introduire de bruit supplémentaire.

Rétroaction sur la jambe droite et le mode courant

Dans l'instrumentation biomédicale, le circuit de la jambe droite entraînée (DRL) réduit activement la tension en mode commun sur le patient en lui donnant un signal en mode commun inversé. Cette technique améliore significativement le rejet en mode commun et réduit le risque de saturation de l'amplificateur en raison de grandes tensions en mode commun.

Le circuit DRL détecte la tension en mode commun à l'amplificateur d'instrumentation, l'invertit et l'amplifie, puis la ramène au patient par une résistance de haute valeur. Cette boucle de rétroaction négative supprime activement les interférences en mode commun tout en maintenant la sécurité du patient par la limitation du courant.

Considérations pratiques en matière de conception

Découplage de l'alimentation électrique

Le découplage de l'alimentation électrique est essentiel pour un fonctionnement stable de l'op-amp et des performances sans bruit. Les condensateurs de découplage placés à proximité des épingles de l'op-amp fournissent des chemins à faible impossibilité pour les courants à haute fréquence, empêchant le bruit de l'alimentation électrique de se raccorder au chemin de signalisation.

On utilise généralement une combinaison de valeurs de condensateur, avec des condensateurs électrolytiques plus grands qui permettent le découplage à basse fréquence et des condensateurs céramiques plus petits qui manipulent des transitoires à haute fréquence.

Pratiques exemplaires de la mise en page des BPC

La disposition des circuits imprimés a des effets profonds sur les performances des circuits d'ampli op de précision. Les nœuds à haute impédance doivent être courts et protégés pour éviter les fuites et les prises de bruit. Les avions au sol fournissent des voies de retour à faible impédance et un bouclier contre les interférences, mais doivent être soigneusement cloisonnés pour éviter les boucles au sol.

La séparation des terrains analogiques et numériques, l'utilisation de la mise à la terre des étoiles pour les circuits sensibles et le maintien de la symétrie dans les voies de signaux différentiels contribuent tous à une performance optimale.

Sélection des composantes et tolérances

Pour réduire au minimum la capture du bruit et éviter d'introduire un déséquilibre à l'entrée du bioamplificateur, la tolérance de l'impédance du couple de résistance est critique, d'où la nécessité de choisir entre les basses tolérances.

Les résistances à film métallique offrent de meilleurs coefficients de température et un bruit plus faible que les types de composition en carbone. Dans les applications critiques, les réseaux de résistance avec des coefficients de température assortis maintiennent la précision du rapport sur la température.

Stabilité et rémunération

La stabilité de l'amplificateur Op dépend du maintien d'une marge de phase adéquate dans la boucle de rétroaction. La charge de capacité, en particulier lors de la conduite de câbles longs ou de multiples entrées, peut réduire la marge de phase et provoquer une oscillation ou une sonnerie.

Certains op-amps nécessitent des composants de compensation externes pour certaines configurations de gain, tandis que d'autres sont compensés en interne pour la stabilité de gain d'unité.

Tendances et technologies émergentes

Amplificateurs intégrés d'instrumentation

Les amplificateurs d'instrumentation intégrés modernes combinent la topologie des trois amplificateurs op avec des résistances à laser de précision en un seul paquet, offrant des performances supérieures à celles des applications discrètes. Ces appareils offrent un excellent CMRR, un faible décalage et une faible dérive avec des composants externes minimes.

Les amplificateurs d'instrumentation à gain programmable permettent le contrôle numérique des paramètres de gain, simplifient les systèmes de mesure multi-ranges. Certains appareils intègrent des fonctionnalités supplémentaires, y compris la protection des entrées, les tampons de référence et les capacités de diagnostic, réduisant ainsi la complexité globale du système.

Amplificateurs auto-zéro et stabilisés par amortisseur

Les amplificateurs à zéro automatique mesurent et annulent périodiquement leur propre tension offset, obtenant des tensions offset dans la gamme microvolt avec une dérive minimale. Ces appareils alternent entre la mesure de la compensation et l'amplification du signal, en utilisant des techniques de condensateur commuté pour stocker et soustraire la compensation.

Les amplificateurs stabilisés par le chopper modulent le signal d'entrée à une fréquence plus élevée où le bruit 1/f est négligeable, l'amplifient, puis le démodulent en courant continu. Cette technique élimine virtuellement l'offset et la dérive tout en réduisant le bruit basse fréquence, rendant ces amplificateurs idéals pour les mesures de précision en courant continu.

Applications de faible puissance et de récupération d'énergie

La prolifération des réseaux de capteurs sans fil et des appareils Internet des objets entraîne la demande d'opamps ultra-faible puissance qui peuvent fonctionner à partir de sources de collecte d'énergie. Les opamps modernes de faible puissance permettent d'obtenir des courants quiescents nanoampères tout en maintenant une bande passante et des performances sonores adéquates pour de nombreuses applications de capteurs.

Techniques de gestion de la puissance, y compris le vélo de service, où l'amplificateur se met en marche entre les mesures, prolonge la durée de vie de la batterie dans les instruments portables.

Assistance numérique et approches hybrides

Les approches analogiques-numériques hybrides combinent les circuits d'op-amp traditionnels avec le traitement numérique du signal pour atteindre des niveaux de performance difficiles à obtenir avec des techniques purement analogiques. L'étalonnage numérique peut compenser les erreurs de décalage, de gain et de non-linéarité, tandis que le filtrage adaptatif élimine les interférences.

Les microcontrôleurs avec des front-ends analogiques intégrés, y compris des amplificateurs, des convertisseurs ADC et des convertisseurs digital-analogiques, permettent un traitement sophistiqué des signaux dans des paquets compacts et peu coûteux.

Essais et caractérisation

Mesure de la tension de compensation

La mesure de la tension de compensation d'entrée nécessite une technique rigoureuse pour distinguer le décalage inhérent de l'amp de l'op-amp des tensions thermoélectriques générées aux jonctions métalliques différentes dans la configuration d'essai.

La tension de compensation d'entrée peut être mesurée en configurant l'amplificateur op comme amplificateur à gain élevé et en mesurant la tension de sortie avec les entrées raccourcies ensemble. La division de la tension de sortie par le gain donne la tension de compensation d'entrée.

Méthodes d'essai CMRR

Les essais de taux de rejet en mode commun consistent à appliquer une tension en mode commun aux deux entrées tout en mesurant le changement de sortie résultant. Le CMRR est calculé comme le rapport de tension en mode commun à la tension d'erreur équivalente à la valeur d'entrée.

Les essais pratiques de CMRR nécessitent une attention particulière à la configuration de mesure pour éviter les erreurs par les boucles au sol ou les couplages capacitifs.

Techniques de mesure du bruit

Les mesures du bruit nécessitent un équipement spécialisé, y compris des préamplificateurs à faible bruit, des analyseurs de spectre et des environnements d'essai blindés. Le bruit de référence pour l'entrée est habituellement mesuré en configurant l'amplificateur pour un gain élevé et en analysant le spectre sonore de sortie, puis en le divisant par le gain pour obtenir la valeur de référence pour l'entrée.

Les mesures du bruit doivent tenir compte de la largeur de bande du système de mesure et de la contribution des sources de bruit externes.

Caractérisation de la réponse à la fréquence

Les mesures de réponse en fréquence révèlent la bande passante, la réponse de phase et les marges de stabilité des circuits à ampères op. Les analyseurs réseau fournissent des données complètes de réponse en fréquence, tandis que les oscilloscopes avec générateurs de fonction offrent des alternatives plus simples pour la caractérisation de base.

Les tests de réponse par étapes permettent de comprendre les caractéristiques du temps de réglage, du dépassement et de l'anneauement, paramètres qui sont essentiels pour les applications nécessitant un règlement rapide, comme les systèmes d'acquisition de données multiplexées ou les circuits d'échantillonnage et de retenue.

Dépannage des problèmes courants

oscillation et instabilité

L'oscillation dans les circuits d'ampli op résulte généralement d'une marge de phase insuffisante en raison d'une charge capacitive, d'une compensation inadéquate ou de chemins de rétroaction parasitaires. L'identification de la fréquence d'oscillation aide à diagnostiquer la cause – l'oscillation haute fréquence suggère des problèmes de charge capacitive ou de mise en page, tandis que l'oscillation basse fréquence peut indiquer une compensation de boucle inadéquate.

Les solutions comprennent l'ajout de résistance de sortie série pour isoler les charges capacitives, l'utilisation de condensateurs de rétroaction pour réduire le gain de fréquence élevée, l'amélioration du découplage de l'alimentation électrique et l'optimisation de la disposition des PCB pour minimiser la capacité parasitaire et l'inductance.

Bruit excessif

Les problèmes de bruit peuvent provenir de sources multiples, notamment l'ampli lui-même, le bruit thermique de résistance, le bruit d'alimentation électrique, les interférences électromagnétiques et les boucles au sol.

La réduction du bruit exige de s'attaquer à toutes les sources importantes, notamment la sélection d'opamps à bruit moindre, la réduction des valeurs de résistance, l'amélioration du filtrage de l'alimentation électrique, l'ajout de blindage, la mise en place de pratiques de mise à la terre appropriées et la limitation de la bande passante à ce que l'application exige.

Questions relatives aux compensations et aux drifts

L'arrêt excessif de courant continu ou la dérive peuvent résulter de la tension de décalage d'entrée de l'amp, de la distorsion du courant qui circule dans l'impédance de la source, des tensions thermoélectriques ou des courants de fuite.

Les solutions comprennent la sélection d'amplificateurs op avec des spécifications moins offset et dérivant, la réduction de l'impédance de la source, l'utilisation de techniques de suppression de compensation de la température, la mise en œuvre de compensation de température et l'utilisation de protection pour réduire les courants de fuite.

Saturation et éclaboussures

La saturation de sortie se produit lorsque le signal dépasse la plage de tension de sortie de l'amp, qui est généralement limitée à l'intérieur d'une volt ou de deux rails d'alimentation pour les app-amps standard.

Pour éviter la saturation, il faut s'assurer que le signal maximal attendu, y compris les signaux décalés, le bruit et les transitoires, demeure dans la plage de sortie de l'ampli, ce qui peut comprendre un ajustement du gain, une compensation de compensation, une augmentation des tensions d'alimentation ou la sélection d'ampli-op pour une seule alimentation.

Exemples de conceptions du monde réel

Conception de moniteur ECG portable

Un système d'enregistrement électrocardiogramme de faible puissance (ECG) avec une impédance d'entrée ultra-haute permet l'utilisation d'électrodes sèches de longue durée, intègre un module Bluetooth de faible puissance pour la connectivité sans fil, utilise la conversion numérique et la communication sans fil sécurisée avec un module Bluetooth répondant à la norme EN 60601-1-2, l'ensemble du système ne consommant que 33 mA de courant d'alimentation fonctionnant avec une alimentation 4,8 V pour laquelle seulement 1 mA est nécessaire pour la partie analogique, permettant le fonctionnement continu de l'appareil pendant plus de 12 heures sur un bloc de batterie 2400 mAh léger rechargeable 4,8 V.

Cet exemple démontre comment la gestion de l'énergie et la conception du circuit permettent une instrumentation médicale portable avec une durée de vie prolongée de la batterie. La consommation d'énergie analogique extrêmement faible résulte de la sélection d'op-amps de faible puissance appropriés et l'optimisation de la topologie du circuit pour l'efficacité.

Système de mesure de la température multicanaux

Un système pratique de mesure de la température multicanaux utilisant des thermocouples nécessite des amplificateurs d'instrumentation pour chaque canal, une compensation de jonction à froid, des filtres anti-aliasing et un ADC multiplexé. Les amplificateurs d'instrumentation fournissent le gain nécessaire et CMRR pour amplifier les petites tensions thermocouples tout en rejetant les interférences en mode commun.

La compensation de jonction à froid peut être mise en œuvre à l'aide d'un capteur de température de précision à la jonction de référence combiné à une table de recherche ou à un calcul polynôme pour générer la tension de compensation appropriée.

Échelle de pesage de précision Électronique

Les balances électroniques utilisent des cellules de charge configurées comme ponts Wheatstone qui produisent de petites tensions différentielles proportionnelles au poids appliqué. L'électronique de conditionnement des signaux doit fournir un gain élevé, une excellente linéarité et une stabilité sur la température pour obtenir la précision de mesure requise.

Une conception typique utilise un amplificateur d'instrumentation pour amplifier la sortie du pont, suivi par des étapes de gain et de filtrage supplémentaires. La compensation de température tient compte des changements de sensibilité des cellules de charge et de la dérive de compensation zéro.

Émetteur de contrôle des procédés industriels

Les émetteurs industriels convertissent les signaux de capteur en sorties de boucle de courant normalisées, généralement de 4 à 20 mA, pour la transmission sur de longues distances. L'étape d'entrée utilise un amplificateur d'instrumentation pour conditionner le signal du capteur, tandis que l'étape de sortie convertit la tension en un courant de précision à l'aide d'un convertisseur tension-courant basé sur des amplificateurs op.

Ces émetteurs doivent fonctionner de façon fiable dans des environnements industriels difficiles avec de grandes plages de température, du bruit électrique et des différences potentielles de potentiel au sol.

Conclusion et orientations futures

Les amplificateurs opérationnels demeurent des composants indispensables dans les systèmes d'instrumentation, fournissant le conditionnement du signal nécessaire pour extraire des informations significatives des capteurs et des transducteurs. Les principes fondamentaux de la conception de circuits d'op-amp – compréhension du gain, de la bande passante, du bruit, du décalage et de la stabilité – constituent la base du développement réussi des systèmes d'instrumentation.

Les amplificateurs d'instrumentation intégrés modernes, les amplificateurs à zéro automatique et les conceptions stabilisées par hélico repoussent les limites de la précision et des performances, permettant des mesures qui étaient auparavant impossibles ou peu pratiques.

À mesure que la technologie des capteurs progresse et que de nouvelles applications apparaissent, le rôle des op-amps dans l'instrumentation continue d'évoluer. Les tendances à une consommation d'énergie moindre, à une plus petite taille, à une connectivité sans fil et à un traitement intelligent des signaux entraînent l'innovation dans les techniques de conception des appareils et des circuits.

Pour explorer plus en détail les applications d'amplificateurs opérationnels et les techniques de conception, il faut compter avec le Analog Devices Design Center[, qui offre des notes d'application complètes, des outils de conception et des articles techniques.Texas Instruments Amplifier Circuit Design Resources[ fournit des informations supplémentaires sur la mise en oeuvre pratique des circuits.

Résumé des principales demandes

  • Instrument médical: ECG, EEG et EMG systèmes d'acquisition de signaux nécessitant une amplification ultra-faible du bruit, un CMRR élevé et un isolement galvanique pour la sécurité des patients
  • Sensation industrielle:[ Thermocouple, jauge de contrainte, transducteur de pression et conditionnement du signal d'électrode de pH avec amplification de précision et compensation de température
  • Systèmes d'acquisition de données: Front-ends analogiques multicanaux avec gain programmable, filtres anti-aliasing et circuits d'échantillonnage et de retenue pour une numérisation précise
  • Processus de traitement du signal audio: Préamplificateurs de microphone, contrôle de tonalité actif, égalisation et amplificateurs de distribution pour les équipements audio professionnels et de consommation
  • Process Control:[ Émetteurs industriels, dispositifs à boucle et isolateurs de signaux pour une mesure et un contrôle fiables dans des environnements difficiles

La polyvalence et la performance des amplificateurs opérationnels en font des éléments essentiels pour pratiquement toutes les applications d'instrumentation. En comprenant les principes fondamentaux, en appliquant des stratégies de conception appropriées et en choisissant des appareils adaptés à des exigences spécifiques, les ingénieurs peuvent développer des systèmes d'instrumentation qui répondent aux spécifications de performance les plus exigeantes tout en conservant fiabilité, rentabilité et facilité d'utilisation.