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Un amplificateur d'instrumentation (parfois à court terme comme en ampère ou en inamp) est un amplificateur différentiel de précision qui a été équipé d'amplificateurs tampons d'entrée, spécialement conçus pour amplifier les petits signaux différentiels tout en rejetant les grandes tensions de mode commun.

Contrairement aux amplificateurs opérationnels standard, les amplificateurs d'instrumentation disposent de très bas décalage DC, faible dérive, faible bruit, très haut gain de boucle ouverte, très haut taux de rejet en mode commun et très haute impédances d'entrée. Ces caractéristiques les rendent uniques pour les applications nécessitant un conditionnement précis du signal dans des environnements électriquement bruyants.

Comprendre les principes fondamentaux des amplificateurs d'instrumentation

Ce qui rend différents les amplificateurs d'instrumentation

Un amplificateur d'instrumentation est un amplificateur différentiel optimisé pour une impédance d'entrée élevée et un CMRR élevé. La distinction clé entre amplificateurs d'instrumentation et amplificateurs opérationnels standard réside dans leur conception spécialisée pour les applications de mesure.

Les amplificateurs d'instrumentation sont utilisés pour une grande précision et stabilité du circuit à court et à long terme, ce qui en fait des composants essentiels dans les systèmes de mesure de précision où des variations de signal même minimes doivent être captées sans distorsion ni interférence de sources sonores environnementales.

L'architecture des trois-op-amp

Bien que l'amplificateur d'instrumentation soit généralement représenté de façon schématique identique à un amplificateur opérationnel standard (op-amp), l'amplificateur d'instrumentation électronique est presque toujours composé en interne de 3 op-amplificateurs.

Ils sont disposés de façon à ce qu'il y ait un op-amp pour tamponner chaque entrée (+, −) et un pour produire la sortie désirée avec une impédance adéquate correspondant à la fonction. La première étape consiste en deux amplificateurs non inversés qui fournissent une impédance d'entrée élevée et un gain initial, tandis que la seconde étape est un amplificateur de différence de précision qui traite davantage le signal et fournit la sortie finale à un seul bout.

La beauté de cette configuration à trois ampères est que le double stade d'entrée tamponne les impédances d'entrée de l'amplificateur différentiel final réduisant le bruit. Cette architecture offre plusieurs avantages critiques par rapport aux configurations d'amplificateur différentiel plus simples, y compris le rejet de mode commun supérieur, l'impédance d'entrée supérieure et un contrôle de gain plus flexible.

Comment fonctionnent les amplificateurs d'instrumentation

Le principe opérationnel d'un amplificateur d'instrumentation se concentre sur l'amplification différentielle du signal. Lorsque deux signaux d'entrée sont appliqués à l'amplificateur, l'appareil n'amplifie que la différence de tension entre eux tout en supprimant toute tension apparaissant également sur les deux entrées.

Le signal différentiel est alors amplifié par les tampons alors que tout signal de tension en mode commun qui apparaît également aux sorties de ces deux ampères op est fortement atténué. Seul le signal différentiel amplifié d'entrée (V2 – V1) reste. Ce principe de fonctionnement fondamental permet aux amplificateurs d'instrumentation d'extraire de petits signaux de milieux bruyants où la tension en mode commun non désirée peut être des ordres de grandeur plus grands que le signal différentiel souhaité.

Principales caractéristiques et caractéristiques de performance

Taux de rejet à modes courants (RMRC)

Le rapport de rejet en mode commun (CMRR) d'un amplificateur différentiel (ou d'un autre appareil) est une mesure utilisée pour quantifier la capacité de l'appareil à rejeter les signaux en mode commun, c'est-à-dire ceux qui apparaissent simultanément et en phase sur les deux entrées. CMRR représente peut-être la spécification la plus critique pour les amplificateurs instrumentaux, car il détermine directement la capacité de l'amplificateur à extraire des petits signaux différentiels en présence de grandes tensions en mode commun.

Le CMRR est défini comme le rapport des puissances du gain différentiel sur le gain en mode commun, mesuré en décibels positifs. Les valeurs plus élevées du CMRR indiquent une meilleure performance, avec des amplificateurs d'instrumentation typiques atteignant des valeurs CMRR allant de 80 dB à plus de 130 dB. Les amplificateurs d'instrumentation monopuce ont généralement des résistances triées au laser pour atteindre un CMRR de plus de 100 dB, parfois même 130 dB.

Un CMRR élevé est nécessaire lorsqu'un signal différentiel doit être amplifié en présence d'une entrée possiblement grande en mode commun, comme une forte interférence électromagnétique (IMM).Dans les applications pratiques, cela signifie qu'un amplificateur d'instrumentation avec un CMRR de 100 dB peut rejeter des signaux en mode commun qui sont 100 000 fois plus grands que le signal différentiel mesuré.

Impédance d'entrée

L'impédance d'entrée est une autre spécification cruciale qui distingue les amplificateurs d'instrumentation des autres types d'amplificateur. Puisque les deux entrées sont appliquées aux terminaux de non-inversion des amplificateurs d'op, l'impédance d'entrée est élevée. Cette impédance d'entrée élevée, généralement dans la gamme de centaines de megohms aux téraohms, garantit que l'amplificateur ne charge pas la source de signal.

L'ampli à trois amplis fournit des impédances très élevées à ses entrées. Ainsi, la tension équivalente Thevenin du pont apparaît à l'entrée de l'amplificateur sans être atténuée par les diviseurs de tension. Puisque la résistance de la source n'apparaît pas dans l'équation de gain, nous avons un gain plus prévisible et une précision plus élevée.

Configuration et contrôle des gains

La gain de tension d'un amplificateur d'instrumentation est principalement déterminé par une seule résistance externe, souvent appelée « résistance à la gaine » (RG), reliée entre les deux amplificateurs d'op tampon d'entrée. Ce mécanisme simplifié de contrôle de gain représente un avantage pratique significatif par rapport aux amplificateurs différentiels traditionnels.

Un avantage de ce circuit est qu'une résistance unique qui n'a pas besoin d'être assortie à aucune autre résistance dans le circuit détermine le gain. Cela nous permet de régler plus facilement le gain de circuit. L'équation de gain pour un amplificateur d'instrumentation à trois-op-amp typique permet un ajustement précis du gain en changeant simplement la valeur d'une résistance externe unique, sans exiger des paires de résistances assorties ou des procédures d'étalonnage complexes.

La résistance à gain de réglage (RG) peut être choisie pour sélectionner une valeur de gain dans la région de fonctionnement de l'appareil (généralement de 1 à 1000). Cette large gamme de gain rend les amplificateurs d'instrumentation suffisamment polyvalents pour gérer des signaux allant des microvolts aux volts, en conciliant différents types de capteurs et exigences de mesure.

Performance sonore

Les performances sonores sont essentielles dans les applications de mesure de précision où les petits signaux doivent être amplifiés sans dégradation. Les performances sonores sont principalement déterminées par le stade d'entrée. L'utilisation d'amplificateurs opérationnels à faible bruit (op-amps) avec un taux de rejet à haute fréquence (CMRR) réduit le bruit différentiel.

Les amplificateurs d'instrumentation modernes atteignent des niveaux sonores remarquablement bas, avec des densités de tension de bruit de référence d'entrée aussi bas que 1-10 nV/ √Hz. Ce plancher à faible bruit garantit que l'amplificateur lui-même ne masque pas ou ne corrompt pas les petits signaux mesurés, particulièrement dans des applications telles que l'acquisition de signaux biomédicaux, les systèmes de pesage de précision et les mesures de capteurs à basse altitude.

Tension de rupture et dérive

La tension de coupure représente la tension de sortie présente lorsque les deux entrées sont au même potentiel. La tension de coupure basse en courant continu : garantit que l'amplificateur n'introduise pas de tension de courant continu non désirée à la sortie, ce qui est critique pour des mesures précises de signaux de bas niveau.

Faible Drift : désigne une variation minimale de la performance de l'amplificateur en raison des changements de température ou du temps, assurant une amplification fiable et cohérente des signaux dans les applications de précision. La dérive de température, généralement spécifiée dans les microvolts par degré Celsius, devient particulièrement importante dans les applications où la température ambiante varie ou où la stabilité à long terme est nécessaire.

Amplificateurs d'instrumentation de circuits intégrés

Avantages de l'intégration monolithique

Les amplificateurs d'instrumentation peuvent être construits avec des amplificateurs individuels et des résistances de précision, mais sont également disponibles en circuit intégré de plusieurs fabricants (y compris Texas Instruments, Analog Devices, Renesas Electronics).

Un amplificateur d'instrumentation IC contient généralement des résistances très proches du laser et offre donc un excellent rejet en mode commun. La résistance de précision qui est réalisable grâce à des processus de fabrication de circuits intégrés dépasse de loin ce qui peut être réalisé économiquement avec des composants discrets, ce qui permet une performance CMRR supérieure et gagne en précision.

Les résistances internes sont étroitement liées, avec des tolérances qui ne sont possibles qu'avec un procédé semi-conducteur paré, pour fournir un très haut rapport de rejet Common-Mode (CMRR). Ce niveau de correspondance, combiné avec le suivi thermique des composants sur la même matrice de silicium, assure une performance stable à travers les variations de température.

IC amplificateur d'instrumentation populaire

Ces appareils représentent des amplificateurs d'instrumentation de série largement utilisés dans diverses applications. Chacun d'eux offre des caractéristiques de performance spécifiques adaptées aux différentes exigences de l'application.

La AD8221, par exemple, est reconnue pour ses performances exceptionnelles sur une large gamme de fréquences. La CMRR supérieure (80 dB min à 10 kHz à G=1), le bruit ultra-faible (8 nV/ √Hz) et la programmation simple de gain via une seule résistance externe la rendent particulièrement adaptée aux applications médicales et industrielles de détection.

Comme les AD524, AD620, INA105, INA115 ou INA332, pour n'en nommer que quelques-uns. La sélection d'un amplificateur d'instrumentation approprié IC dépend des exigences d'application spécifiques, y compris la plage de gain, la bande passante, la tension d'alimentation, les performances sonores et les contraintes de coûts.

Architectures alternatives

Si la configuration des trois amplificateurs domine, il existe d'autres architectures pour des applications spécifiques.Les amplificateurs d'instrumentation peuvent également être conçus en utilisant une "architecture de courant indirect-feedback", qui étend la portée de fonctionnement de ces amplificateurs au rail d'alimentation négative, et dans certains cas au rail d'alimentation positive.

L'approche ICF offre également un CMRR élevé même à haute fréquence. Cette configuration a une plage de tension d'entrée plus large en mode commun et n'a pas besoin de résistances sur puces taillées. Cela réduit la dérive de gain de température-coefficient et réduit le coût global du système. L'architecture de rétroaction de courant indirect offre des avantages dans les applications nécessitant un fonctionnement rail-rail ou une amélioration des performances AC CMRR.

Applications pratiques des amplificateurs d'instrumentation

Instrumentation médicale et biomédicale

Instrumentation médicale : les amplificateurs ECG et EEG nécessitent une CMRR élevée pour rejeter les interférences. L'acquisition de signaux biomédicaux représente l'une des applications les plus exigeantes pour les amplificateurs d'instrumentation. Les signaux électrocardiogrammes (ECG), électroencéphalogrammes (EEG) et électromyogrammes (EMG) sont extrêmement petits, généralement dans la gamme microvolte à millivolt, et doivent être mesurés en présence d'interférences électriques importantes provenant des lignes électriques, de l'activité musculaire et d'autres sources.

L'impédance élevée des amplificateurs d'instrumentation est particulièrement importante dans les applications biomédicales car elle réduit la charge sur les électrodes à haute impédance utilisées pour détecter les signaux biopotentiels. L'excellente CMRR assure que les interférences en mode commun, comme le bruit de ligne électrique de 50/60 Hz qui apparaît également sur toutes les électrodes, sont effectivement rejetées tandis que les petits signaux bioélectriques différentiels sont amplifiés avec précision.

Applications de capteurs industriels

Capteurs industriels : Les jauges de déformation et les amplificateurs de pont bénéficient d'une amplification différentielle précise. Les mesures de jauge de déformation, les capteurs de pression, les cellules de charge et les autres transducteurs à pont produisent de petites sorties différentielles qui nécessitent une amplification précise.

Il est ainsi adapté pour s'interfacer avec des réseaux de ponts résistifs tels que le pont Wheatstone relié aux transducteurs. L'impédance d'entrée élevée des amplificateurs d'instrumentation empêche le chargement du circuit de pont, ce qui entraînerait des erreurs de mesure. La capacité de rejeter les tensions à mode commun assure des mesures précises même lorsque le pont fonctionne à des potentiels à mode commun élevés ou dans des environnements industriels électriquement bruyants.

Les amplificateurs d'instrumentation sont principalement utilisés pour amplifier les signaux différentiels beaucoup plus petits des jauges de contrainte, des thermocouples, des dispositifs piézoélectriques. Ces capteurs produisent souvent des signaux de sortie dans la gamme millivolt ou microvolt, nécessitant une amplification substantielle avant la conversion analogique-numérique ou le traitement ultérieur du signal.

Systèmes d'acquisition de données

Acquisition de données : Le tamponnage à haute impédance minimise les effets de charge sur les sorties des capteurs. Dans les systèmes d'acquisition de données multicanaux, les amplificateurs d'instrumentation servent d'interface frontale critique entre les capteurs et les convertisseurs analogiques à numériques (ADC). Ils procurent le gain nécessaire pour adapter les niveaux de sortie des capteurs aux plages d'entrée ADC tout en maintenant l'intégrité du signal.

L'impédance d'entrée élevée garantit que plusieurs capteurs peuvent être connectés sans interférences mutuelles ou effets de charge. L'excellent CMRR permet des mesures précises même lorsque les capteurs sont situés à différents potentiels de sol ou lorsque les longs câbles introduisent le bruit en mode commun.

Amplification des thermocouples

Les thermocouples génèrent des signaux de tension extrêmement faibles, généralement des dizaines de microvolts par degré Celsius, ce qui les rend difficiles à mesurer avec précision. Les amplificateurs d'instrumentation fournissent le gain élevé et le faible bruit nécessaire pour amplifier ces petits signaux tout en rejetant les interférences en mode commun qui pourraient être captées le long des fils de thermocouple.

L'impédance d'entrée élevée des amplificateurs d'instrumentation est particulièrement bénéfique dans les applications de thermocouple car elle minimise les erreurs dues à la résistance au fil de thermocouple.

Systèmes de pesage de précision

Les cellules de charge utilisées dans les systèmes de pesage de précision utilisent des ponts à jauge de contrainte qui produisent de petits changements de tension différentielle proportionnelles au poids appliqué. Ces signaux varient généralement de quelques millivolts à pleine échelle, nécessitant une amplification précise sans introduire d'erreurs de décalage ou de dérive qui compromettraient la précision de pesage.

Les amplificateurs d'instrumentation fournissent l'amplification stable et à faible débit nécessaire pour les applications de pesage de précision. La capacité de programmer gain avec une résistance unique permet un calibrage facile pour différentes sensibilités de cellules de charge et gammes de mesure.

Considérations de conception et lignes directrices de mise en oeuvre

Détermination et calcul du gain

Une sélection adéquate des gains est essentielle à la conception de l'amplificateur d'instrumentation. Le gain doit être suffisant pour amplifier le signal d'entrée prévu à un niveau approprié pour les étapes de traitement ultérieures, correspondant généralement à la plage d'entrée d'un convertisseur analogique à numérique.

Pour la plupart des amplificateurs d'instrumentation à trois amplificateurs, l'équation de gain relie le gain de tension global à la résistance à gain et aux valeurs internes de résistance. Les fabricants fournissent généralement des équations de gain et des tableaux dans leurs fiches de données, permettant aux concepteurs de sélectionner la valeur de gain de résistance appropriée pour le gain souhaité.

Considérations relatives à l'alimentation électrique

La sélection de l'alimentation a un impact significatif sur les performances de l'amplificateur d'instrumentation. De nombreux amplificateurs d'instrumentation modernes peuvent fonctionner à partir d'alimentations simples jusqu'à 2,7 V ou de deux alimentations allant de ±2,5 V à ±18 V. La tension d'alimentation détermine la gamme de modes communs d'entrée et de basculement de sortie.

Il est également compatible avec une seule source d'alimentation (avec la broche VREF). Pour les applications à une seule source, la broche de référence permet de compenser la sortie à la moyenne d'alimentation, maximisant la balance de sortie disponible.

Plage de modes communs d'entrée

Une des limites de l'ampli à trois tours est que la plage de modes communs d'entrée peut être limitée si nous essayons d'obtenir un gain différentiel très élevé à l'étape d'entrée. La tension de modes communs d'entrée doit rester dans les limites spécifiées pour assurer le fonctionnement linéaire et maintenir les performances CMRR.

La plage de modes communs d'entrée (ICMR) de l'IA classique à trois temps est limitée à la plage de tension de sortie des amplificateurs opérationnels internes, ce qui limite la plage de tension de sortie par la tension de modes communs d'entrée. Les concepteurs doivent vérifier que la tension de mode commun d'entrée prévue, y compris toute variation de courant continu et de courant alternatif, demeure dans la plage spécifiée pour toutes les conditions de fonctionnement.

Sélection et correspondance des résistants

Lors de la construction d'amplificateurs d'instrumentation discrets ou de gain de réglage avec des résistances externes, la sélection de résistances a un impact significatif sur les performances. Les résistances utilisées doivent être de haute précision (tolérance de 0,1 % ou mieux) pour atteindre le CMRR le plus élevé possible.

Pour régler le gain de Vref à 1 V/V et éviter de dégrader le CMRR de l'amplificateur d'instrumentation, les rapports R4/R3 et R2/R1 doivent être égaux. Dans le stade de l'amplificateur de différence de sortie, l'appariement du rapport de résistance est essentiel pour maintenir un CMRR élevé.

Pour les applications critiques, les résistances avec des coefficients de température assortis doivent être utilisées pour minimiser la dérive de gain sur la température. Certains concepteurs utilisent des réseaux de résistance où plusieurs résistances sont fabriquées sur le même substrat, assurant ainsi une excellente correspondance et un suivi thermique.

Pratiques exemplaires de la mise en page des BPC

La mise en page des cartes de circuits imprimés (PCB) est essentielle pour réaliser le plein potentiel de performance des amplificateurs d'instrumentation. Les traces d'entrée différentielles doivent être acheminées symétriquement et être aussi courtes que possible pour minimiser les différences de capacité parasitaire et d'inductance qui pourraient dégrader le CMRR à des fréquences plus élevées.

Traces de protection : Minimiser les courants de fuite dans les circuits à haute impossibilité. Les anneaux de protection ou les traces de protection entraînées au même potentiel que les signaux d'entrée peuvent réduire les courants de fuite et améliorer les performances dans les applications à haute impossibilité. Ces dispositifs devraient entourer les traces d'entrée à haute impossibilité et être entraînés par une source à faible impossibilité au potentiel approprié.

La conception d'un avion au sol nécessite une attention particulière. Un plan au sol solide fournit des voies de retour à faible impédance et réduit le couplage sonore. Cependant, le plan au sol ne devrait pas s'étendre sous des traces d'entrée à haute impédance où il pourrait introduire une capacité indésirable.

Réduction du blindage et du bruit

Blindage actif : réduire le couplage capacitif dans les environnements bruyants. Dans les applications impliquant de longs parcours de câbles ou de fonctionnement dans les environnements bruyants électriquement, le blindage approprié devient essentiel.

Cela signifie que si une paire de fils tordus est utilisée pour connecter un transducteur aux entrées différentielles de l'amplificateur, tout bruit induit contaminera chaque fil également et sera rejeté par la capacité de rejet du mode commun de l'amplificateur. L'utilisation de câbles à paires tordues assure que l'interférence électromagnétique affecte les deux conducteurs également, le convertissant en bruit du mode commun que l'amplificateur instrumental peut rejeter.

Pour les applications nécessitant une immunité maximale au bruit, on peut utiliser des boucliers entraînés ou des dispositifs de protection. Dans cette technique, le bouclier de câble est entraîné avec un signal égal à la tension du mode commun plutôt que d'être raccordé au sol.

Rémunération actuelle des facteurs de divergence

Les courants de biais d'entrée, bien que généralement très petits dans les amplificateurs d'instrumentation, peuvent causer des erreurs de décalage lors de la circulation à travers les impédances sources.

Pour les entrées couplées à des courant alternatif, les résistances au sol ou à une tension de référence fournissent le chemin DC nécessaire. Les valeurs de résistance devraient être choisies pour équilibrer les effets de courant de biais sur les deux entrées tout en étant assez grandes pour ne pas charger de manière significative la source de signal.

Sujets avancés et techniques d'optimisation

Réponse de la largeur de bande et de la fréquence

La bande passante d'un amplificateur d'instrumentation est déterminée par les étapes d'entrée et de sortie. Le pôle dominant est généralement défini par l'étape d'entrée, avec une fréquence -3dB donnée par : Lorsque GBW est le produit de la bande passante de gain des op-amps de stade d'entrée et G est le gain total.

Au fur et à mesure que le gain augmente, la bande passante diminue généralement en raison de la limitation du produit de la largeur de bande des amplificateurs opérationnels utilisés dans l'amplificateur d'instrumentation.

Bien qu'il offre un CMRR élevé à DC (en appariant étroitement les résistances sur puce), l'architecture de rétroaction peut dégrader considérablement le CMRR AC. De plus, comme les capacités parasitaires ne peuvent pas être appariées exactement, le CMRR commence à diminuer à des fréquences plus élevées. Cette dégradation de CMRR dépendante de la fréquence doit être envisagée dans les applications impliquant des signaux AC ou des bruits à haute fréquence.

Protection contre les surcharges

La protection des entrées d'amplificateurs d'instrumentation contre les conditions de surtension est importante dans de nombreuses applications, notamment lorsque l'interface avec des capteurs qui peuvent être en panne ou dans des environnements industriels difficiles.

Les résistances de série combinées avec des diodes de serrage sur les rails d'alimentation offrent une protection de base contre les surtensions. Cependant, les résistances de série introduisent le bruit et peuvent créer des erreurs de compensation en raison du biais du courant.

Certains amplificateurs d'instrumentation comprennent des circuits de protection d'entrée internes, simplifiant la conception externe. Lorsque la protection externe est nécessaire, une sélection minutieuse des composants de protection et la prise en compte de leurs effets sur l'intégrité du signal sont essentielles.

Configuration de tension de référence

La plupart des amplificateurs d'instrumentation comprennent une entrée de tension de référence qui définit la tension de sortie lorsque l'entrée différentielle est nulle. Cette entrée de référence offre une flexibilité pour le transfert de niveau et permet à la sortie d'être positionnée de manière optimale dans la plage de sortie disponible.

L'impédance d'entrée de référence varie selon les modèles d'amplificateurs d'instrumentation. Certains appareils présentent une impédance élevée à l'entrée de référence, ce qui permet de le conduire par un simple diviseur de résistance. D'autres nécessitent une source de référence de faible impédance, nécessitant un amplificateur tampon ou une référence de tension de précision.

Dans les applications à alimentation unique, la tension de référence est généralement réglée à l'alimentation moyenne pour maximiser la variation de sortie disponible pour les signaux bipolaires. Pour les applications à double alimentation, la référence est souvent reliée au sol, ce qui entraîne une sortie bipolaire centrée à zéro volts.

Étalonnage et étalonnage

Même avec les amplificateurs d'instrumentation de précision, certaines applications peuvent nécessiter un calibrage pour obtenir une précision maximale. La tension de compensation, l'erreur de gain et le CMRR peuvent tous être parés pour améliorer les performances au-delà des spécifications initiales de l'appareil.

Le réglage de la résistance de réglage de gain consiste généralement à ajuster la résistance de réglage de gain ou à ajouter une petite résistance de réglage en série ou en parallèle avec elle. Le réglage de CMRR, si nécessaire, nécessite généralement le réglage des rapports de résistance au stade de l'amplificateur de différence de sortie.

Les systèmes modernes utilisent souvent des techniques d'étalonnage numériques où les erreurs de compensation et de gain sont mesurées et corrigées dans les logiciels après conversion analogique-numérique. Cette approche élimine la nécessité de parage manuel et peut compenser les variations induites par la température par un recalibrage périodique.

Considérations relatives à la température

Les variations de température affectent les performances de l'amplificateur d'instrumentation par plusieurs mécanismes. La dérive de tension, la dérive de gain et la dégradation du CMRR varient toutes selon la température.

La dérive de la tension de rupture, généralement spécifiée en microvolts par degré Celsius, provoque un déplacement de la tension de sortie au fur et à mesure que la température change, même lorsque l'entrée reste constante.

L'utilisation de résistances avec des coefficients de température assortis et la sélection d'amplificateurs d'instrumentation avec des spécifications de dérive à faible gain aident à minimiser cet effet. Pour les applications critiques, capteurs de température et compensation logicielle peuvent réduire davantage les erreurs induites par la température.

Dépannage de problèmes communs

Tension de rupture inattendue

La tension excessive de décalage à la sortie lorsque les entrées sont raccourcies ensemble peut résulter de plusieurs causes. Les courants de biais d'entrée qui traversent les déséquilibres d'impédance de source créent des tensions de décalage.

Les tensions thermoélectriques générées à des jonctions métalliques différentes dans le chemin de signalisation peuvent également contribuer à compenser les erreurs, en particulier dans les applications de mesure à bas niveau.

Les boucles au sol, où plusieurs connexions au sol créent des courants circulants, peuvent introduire des tensions offset et du bruit. La mise en place d'un point de mise à la terre approprié et l'utilisation de signaux différentiels tout au long de la chaîne de mesure minimisent les effets de la boucle au sol.

oscillation et instabilité

Les amplificateurs d'instrumentation peuvent devenir instables et osciller dans certaines conditions. La charge de l'amplificateur à la sortie est une cause commune d'instabilité. L'ajout d'une petite série de résistance (généralement 50-100 ohms) entre la sortie de l'amplificateur et les charges capacitives contribue à maintenir la stabilité en isolant le stade de sortie de la charge capacitive.

Le découplage insuffisant de l'alimentation peut permettre des oscillations à haute fréquence. Le positionnement de condensateurs céramiques (généralement 0,1 μF) le plus près possible des goupilles d'alimentation fournit le contournement à haute fréquence nécessaire.

La rétroaction par la capacité ou l'inductance parasitaire dans la disposition des BPC peut causer l'instabilité. La mise en page soignée avec des traces courtes, directes et une mise à la terre adéquate minimise ces effets parasitaires.

Mauvais rendement du CMRR

Lorsque la CMRR mesurée est en deçà des spécifications de la fiche technique, plusieurs facteurs peuvent être responsables. L'inadéquation des résistances au stade de l'amplificateur de différence de sortie est une cause principale de dégradation de CMRR.

Les impédances de source déséquilibrées peuvent dégrader le CMRR en convertissant les signaux en mode commun en signaux différentiels. S'assurer que les deux entrées voient la même impédance de source, y compris les résistances de protection de série ou les composants de filtre, maintient les performances du CMRR.

À des fréquences plus élevées, les capacités parasitaires et les inductances dans le chemin de signal peuvent causer la dégradation du CMRR. Le routage symétrique des traces d'entrée différentielles, la réduction des longueurs de traces et l'élimination des déséquilibres de capacité aident à maintenir le CMRR à des fréquences plus élevées.

Bruit excessif

Lorsque le bruit de sortie dépasse les attentes, l'identification de la source de bruit est la première étape vers la résolution. Le bruit de l'amplificateur d'instrument lui-même permet de fixer un plancher de bruit fondamental.

Le bruit de résistance, en particulier des résistances de haute valeur dans le circuit de signalisation, contribue au bruit global du système. L'utilisation de valeurs de résistance plus faibles lorsque c'est possible ou la sélection de types de résistance à faible bruit réduit cette contribution.

La collecte externe du bruit par un blindage inadéquat ou de mauvaises pratiques de mise à la terre domine souvent dans les systèmes pratiques. L'application de blindage approprié, l'utilisation de câbles à paires tordues pour les signaux différentiels et la garantie de connexions au sol propres et à faible impossibilité réduisent considérablement la collecte externe du bruit.

Exemples pratiques de mise en œuvre

Amplificateur de pont de jauge de souche

Un amplificateur de pont à jauge de contrainte démontre une application classique d'amplificateur d'instrumentation. La configuration du pont de Wheatstone produit une petite tension différentielle proportionnelle à la tension, généralement quelques millivolts à pleine échelle.

L'amplificateur d'instrumentation doit fournir un gain suffisant pour amplifier la sortie de la passerelle en fonction de la plage d'entrée ADC tout en maintenant une impédance d'entrée élevée pour éviter de charger la passerelle. Un gain de 100-1000 est typique pour les applications de jauges de contrainte.

Le filtrage à passe basse à la sortie de l'amplificateur d'instrument élimine le bruit à haute fréquence avant la numérisation. La fréquence de coupure du filtre doit être choisie en fonction des exigences de bande passante de la mesure tout en assurant un rejet adéquat du bruit.

Conception avant de l'ECG

L'acquisition d'électrocardiogrammes (ECG) présente des défis uniques que les amplificateurs d'instrumentation sont bien adaptés pour répondre. Les signaux d'ECG vont d'environ 0,5 à 4 mV en amplitude et contiennent des composants de fréquence de 0,05 à 150 Hz. Ces petits signaux doivent être mesurés en présence d'interférences beaucoup plus importantes en mode commun provenant de lignes électriques et d'autres sources.

L'amplificateur d'instrumentation fournit le CMRR élevé nécessaire pour rejeter les interférences en mode commun tout en amplifiant le signal ECG différentiel. Un gain de 500-1000 amène le signal ECG à un niveau adapté à la conversion analogique-numérique. Une impédance d'entrée élevée minimise la charge sur l'interface électrode-peau, qui peut avoir des impédances allant de quelques kilohms à plusieurs megohms.

La protection des entrées est essentielle dans les applications médicales pour protéger le patient et l'électronique. Les résistances de série et les diodes de serrage limitent le courant et la tension pendant les conditions de défaillance ou les événements de défibrillation.

Système de mesure des thermocouples

Les thermocouples génèrent environ 40-60 microvolts par degré Celsius, selon le type de thermocouple. Ces petits signaux nécessitent un gain élevé et un faible bruit pour une mesure précise.

L'amplificateur d'instrumentation fournit le gain nécessaire tout en maintenant une impédance d'entrée élevée pour minimiser les erreurs de résistance au fil thermocouple. Un gain de 100-500 est typique, ce qui porte le signal de thermocouple à un niveau approprié pour la numérisation.

La compensation de jonction à froid tient compte de la température au point où les fils thermocouples se connectent au système de mesure. Ceci peut être mis en œuvre à l'aide d'un capteur de température de précision et de conditionnement approprié du signal.

Application de détection actuelle

La détection du courant à l'aide d'une résistance à la chasse représente une autre application courante d'amplificateur d'instrumentation. Une résistance de petite valeur en série avec la charge développe une tension proportionnelle au courant. Cette tension, généralement dans la gamme millivolt, doit être amplifiée tout en rejetant la tension de mode commun qui peut être présente à travers la chasse.

La haute CMRR de l'amplificateur d'instrumentation permet une mesure précise du courant même lorsque la résistance à la chasse n'est pas au potentiel du sol. Cela permet une détection de courant à haute hauteur, où la chasse est placée entre l'alimentation et la charge. La tension en mode commun dans cette configuration peut être assez élevée, potentiellement approchant de la tension d'alimentation.

Les amplificateurs spécialisés de type courant, qui sont essentiellement des amplificateurs d'instrumentation optimisés pour cette application, offrent des gammes de tension étendues à mode commun et d'autres fonctionnalités adaptées à la détection du courant.

Critères de sélection et comparaison

Paramètres clés pour la sélection

Pour sélectionner l'amplificateur d'instrumentation approprié pour une application particulière, il faut évaluer plusieurs paramètres. Les exigences du CMRR dépendent du rapport entre les signaux en mode commun et les signaux en mode différentiel prévu dans l'application.

Les exigences en matière d'impédance d'entrée dépendent de l'impédance de la source du capteur ou du signal mesuré. Les sources d'impédance élevée telles que les capteurs piézoélectriques ou les ponts à haute résistance nécessitent des amplificateurs d'instrumentation avec une impédance d'entrée très élevée pour éviter les effets de chargement et les erreurs de mesure.

Les performances sonores deviennent critiques dans les applications de signaux à faible niveau. Le bruit de l'amplificateur d'instrumentation devrait être nettement inférieur au signal mesuré pour maintenir un rapport signal-bruit adéquat. Les exigences de largeur de bande déterminent le produit de largeur de bande minimal nécessaire, en particulier pour les applications impliquant des signaux AC ou des transitoires rapides.

Les contraintes de tension d'alimentation peuvent être imposées par la conception globale du système. Les applications alimentées par batterie nécessitent souvent un fonctionnement à basse tension, tandis que les applications industrielles peuvent utiliser des alimentations standard ± 15V. La plage de modes communs d'entrée et la balance de sortie doivent être réalisables dans la tension d'alimentation disponible.

Coûts et résultats

Les amplificateurs d'instrumentation couvrent une large gamme de niveaux de performance et de coûts. Les appareils à usage général offrent de bonnes performances à un coût modéré, adaptées à de nombreuses applications industrielles et de mesure.

Les amplificateurs d'instrumentation de précision offrent des spécifications supérieures à un coût plus élevé. Ces appareils sont dotés de CMRR de plus de 120 dB, d'impédances d'entrée dans la gamme de téraohm, et de niveaux de bruit inférieurs à 10 nV/ √Hz. Ils sont adaptés à des applications exigeantes telles que l'instrumentation médicale, le pesage de précision et la mesure scientifique lorsque la précision maximale est requise.

Pour les applications sensibles aux coûts et aux exigences moins strictes, la construction d'un amplificateur d'instrumentation distinct à partir d'amplificateurs opérationnels individuels et de résistances de précision peut être économique.

Mise en œuvre intégrée et discrète

Les IA IC monolithiques sont facilement disponibles et sont souvent préférables à la construction d'un amplis d'op individuels, car les composants internes seront bien adaptés. Ces IA peuvent avoir un CMRR de plus de 100 dB et un gain de tension jusqu'à 10 000×. La meilleure combinaison de composants réalisable dans les circuits intégrés permet une meilleure CMRR et une performance plus stable par rapport aux implémentations discrètes.

Des implémentations discrètes offrent une flexibilité dans la personnalisation des caractéristiques de performance et peuvent être nécessaires lorsque des exigences spécifiques ne peuvent pas être satisfaites par les appareils intégrés disponibles.

Pour les applications de prototypage ou de faible volume, les implémentations discrètes permettent d'expérimenter différentes configurations et valeurs de composants. Pour les conceptions de production, les amplificateurs intégrés offrent généralement de meilleures performances, une taille plus petite et un coût total moins élevé lorsque l'on considère l'assemblage et les essais.

Tendances futures et technologies émergentes

Amélioration numérique et amplificateurs intelligents

Les amplificateurs d'instrumentation modernes intègrent de plus en plus des fonctionnalités numériques qui améliorent la fonctionnalité et simplifient la conception du système. Le gain programmable numérique permet de contrôler le logiciel d'amplification sans composants externes, permettant le conditionnement adaptatif du signal et des mesures multi-ranges à partir d'une conception matérielle unique.

Les convertisseurs analogiques à numériques intégrés combinent l'amplificateur d'instrumentation et l'ADC en un seul paquet, réduisant le nombre de composants et simplifiant la conception.Ces solutions intégrées comprennent souvent le filtrage numérique, l'étalonnage et les interfaces de communication, créant ainsi des sous-systèmes complets de conditionnement des signaux.

Les capacités d'autoétalonnage permettent aux amplificateurs d'instrumentation de compenser automatiquement les erreurs de compensation, de gain et de dérive sans intervention externe.

Applications de faible puissance et de récupération d'énergie

La prolifération des réseaux de capteurs sans fil et des appareils Internet des objets (IoT) entraîne la demande d'amplificateurs d'instrumentation ultra-faible puissance. Les appareils modernes permettent d'obtenir des courants quiescents sous-microampères tout en maintenant de bonnes performances sonores, permettant le fonctionnement de batteries pendant des années ou même des décennies.

Les applications de récupération d'énergie, où l'énergie est récupérée à partir de sources ambiantes telles que les vibrations, la lumière ou les gradients thermiques, nécessitent des amplificateurs d'instrumentation qui peuvent fonctionner à partir de très faibles tensions d'alimentation et de courant minimal.

Architectures avancées

De nouvelles architectures d'amplificateurs d'instrumentation continuent de se développer, en s'attaquant aux limites des conceptions traditionnelles. Les amplificateurs d'instrumentation stabilisés au choc permettent d'atteindre une tension de décalage extrêmement faible et de dériver en moduleant le signal d'entrée, en l'amplifiant puis en démoduisant la sortie.

Les amplificateurs à zéro automatique utilisent des techniques de condensateur commuté pour échantillonner et annuler les erreurs de décalage en continu. Ces appareils combinent les avantages de la stabilisation de l'hélico avec une bande passante plus large, adaptée aux applications nécessitant à la fois une faible compensation et une réponse rapide.

Les amplificateurs d'instrumentation en mode courant traitent les signaux comme des courants plutôt que des tensions, offrant des avantages dans certaines applications. Ces appareils peuvent atteindre une très large gamme de dynamiques et peuvent être moins sensibles aux variations de tension d'alimentation que les modèles traditionnels en mode tension.

Lignes directrices générales pour l'utilisation

Conception de l'alimentation électrique

La conception d'alimentation adéquate est essentielle pour obtenir une performance optimale de l'amplificateur d'instrumentation. Les tensions d'alimentation doivent être propres et stables, avec un faible bruit et un taux d'ondulation minimal.

Les condensateurs de découplage doivent être placés le plus près possible des goupilles d'alimentation de l'amplificateur d'instrumentation. Une combinaison de condensateurs céramiques pour le contournement à haute fréquence (généralement 0,1 μF) et de condensateurs électrolytiques ou tantaliques pour le stockage d'énergie en vrac (10-100 μF) fournit un découplage efficace sur une large gamme de fréquences.

Pour les applications à double alimentation, les alimentations positives et négatives nécessitent une attention égale au découplage et à la régulation. La symétrie de tension d'alimentation affecte la tension offset et le CMRR, de sorte que le maintien de tensions d'alimentation équilibrées améliore les performances.

Stratégie de mise en œuvre

La stratégie de mise à la terre a une incidence significative sur les performances de l'amplificateur d'instrumentation, en particulier dans les systèmes à circuits multiples ou sous-systèmes.

La mise à la terre des étoiles, une variante de la mise à la terre monopoint, sépare les traces de sol de chaque section de circuit en un point central de mise à la terre. Cela empêche les courants élevés d'une section de créer des chutes de tension dans les voies de sol partagées avec les circuits sensibles.

Dans les systèmes à signaux mixtes contenant des circuits analogiques et numériques, séparer les plans au sol analogiques et numériques et les connecter en un seul point empêche les courants de commutation numériques de circuler dans les chemins au sol analogiques. Le point de connexion doit être choisi avec soin, généralement près de l'alimentation ou au convertisseur analogique-numérique.

Conditionnement du signal d'entrée

Le filtrage à faible passage à l'entrée élimine le bruit à haute fréquence qui pourrait se trouver dans la bande passante de mesure ou causer des problèmes d'interférence électromagnétique (IME). La fréquence de coupure du filtre doit être sélectionnée en fonction de la bande passante du signal tout en assurant une atténuation adéquate des composants à haute fréquence indésirables.

Pour les applications couplées à l'AC, les condensateurs d'accouplement d'entrée bloquent les composants en courant continu en passant les signaux en courant alternatif. Les valeurs du condensateur d'accouplement doivent être suffisamment grandes pour maintenir une réponse à basse fréquence adéquate tout en assurant un blocage en courant continu.

Le filtrage par interférence électromagnétique (IMM) peut être nécessaire dans les environnements industriels ou lorsque des câbles longs sont utilisés. Les étranglements à modes communs, qui présentent une forte impédance aux signaux à modes communs tout en passant des signaux différentiels, réduisent efficacement l'IMI dirigé.

Traitement des signaux de sortie

Les filtres anti-asylage empêchent le bruit à haute fréquence de se replier dans la bande passante de mesure pendant la numérisation. Le filtre doit avoir une fréquence de coupure inférieure à la moitié du taux d'échantillonnage avec une atténuation suffisante dans le bouchon.

Bien que les amplificateurs d'instrumentation aient généralement une faible impédance de sortie, l'ajout d'un tampon empêche les effets de charge qui pourraient entraîner des erreurs ou une instabilité. Des tampons de gain d'unité avec une capacité de sortie rail-rail assurent la protection de la gamme complète de sortie de l'amplificateur d'instrumentation.

Le déplacement de niveau à la sortie peut être nécessaire pour correspondre à la plage d'entrée des circuits suivants. Ceci peut être accompli en utilisant l'entrée de référence de l'amplificateur d'instrumentation ou par des circuits de summing externes.

Essais et vérification

Des essais approfondis permettent de vérifier que le circuit amplificateur d'instrumentation satisfait aux exigences de performance. Les essais de tension de compensation avec des entrées raccourcies ensemble révèlent des erreurs de courant continu qui pourraient affecter la précision de la mesure.

Les essais de précision du gain appliquent une tension différentielle d'entrée connue et mesurent la sortie pour vérifier l'amplification correcte. Il faut tester plusieurs niveaux d'entrée dans la plage de valeurs prévue pour vérifier la linéarité.

Les essais CMRR appliquent une tension de mode commun aux deux entrées tout en surveillant la sortie pour la percée de signal de mode commun. L'essai doit être effectué aux fréquences CC et AC pertinentes, car CMRR se dégrade généralement à des fréquences plus élevées.

Les essais de bruit caractérisent le plancher du système et le rapport signal-bruit. Avec les entrées raccourcies ou terminées dans l'impédance de la source prévue, le bruit de sortie est mesuré sur toute la bande passante du signal. Le bruit mesuré doit être compatible avec les calculs basés sur les spécifications de l'amplificateur d'instrumentation et les contributions externes des composants.

Ressources et apprentissages ultérieurs

Les notes d'application du fabricant fournissent des conseils détaillés sur la conception, des exemples de travail et des conseils de dépannage propres à leurs produits. Des entreprises comme Appareils analogiques, Texas Instruments[ et d'autres fabricants de semi-conducteurs conservent de vastes bibliothèques de documentation technique.

Les normes industrielles et les textes de référence offrent une couverture complète de la théorie et des applications de l'amplificateur d'instrumentation. Des organisations professionnelles comme l'IEEE publient des documents sur les architectures et applications de l'amplificateur d'instrumentation de pointe.

Les simulateurs SPICE avec des modèles d'amplificateurs d'instrumentation précis permettent aux concepteurs d'évaluer les performances du circuit, d'optimiser les valeurs des composants et de cerner les problèmes potentiels. De nombreux fabricants fournissent des modèles SPICE pour leurs produits d'amplificateurs d'instrumentation.

Les cartes d'évaluation et les kits de développement accélèrent le processus de conception en fournissant des modèles de référence éprouvés. Ces cartes permettent d'expérimenter directement avec différentes configurations et conditions d'exploitation, aidant les concepteurs à comprendre des considérations pratiques qui ne ressortent peut-être pas des seules fiches techniques.

Conclusion

Les amplificateurs d'instrumentation représentent des éléments essentiels dans les systèmes de mesure et de détection modernes. Leur combinaison unique d'impédance élevée, d'excellente rejet en mode commun, de faible bruit et de contrôle précis des gains les rend indispensables pour des applications nécessitant une amplification précise de petits signaux différentiels en présence de grandes tensions en mode commun.

La compréhension des principes fondamentaux, des spécifications clés et des considérations pratiques de mise en œuvre permet aux ingénieurs d'appliquer efficacement des amplificateurs d'instrumentation dans diverses applications allant de l'instrumentation médicale au contrôle industriel des procédés.

À mesure que la technologie progresse, les amplificateurs d'instrumentation évoluent pour répondre aux nouvelles exigences de consommation d'énergie, d'intégration et de fonctionnalité accrues. Que ce soit pour mettre en place une interface simple ou un système d'acquisition de données multicanaux sophistiqué, les amplificateurs d'instrumentation fournissent le conditionnement de précision nécessaire pour des mesures précises et fiables dans des environnements difficiles.

En suivant les lignes directrices et les meilleures pratiques décrites dans ce guide complet, les concepteurs peuvent mettre en œuvre avec succès des circuits amplificateurs d'instrumentation qui répondent à leurs exigences d'application spécifiques, tout en évitant les pièges communs et en obtenant des performances optimales.