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Techniques

Un amplificateur à entrées différentielles vers une sortie asymétrique

Par Chau Tran et Jordyn Rombola, Analog Devices

Publication: 7 novembre

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Comment puis-je réaliser un amplificateur à entrée différentielle vers une sortie asymétrique qui soit faible consommation et faible coût ?...
 

De nombreuses applications exigent l’utilisation d’un amplificateur différentiel basse consommation et de hautes performances pour convertir des petits signaux différentiels en un signal de sortie lisible et référencé à la masse. Les tensions appliquées aux deux entrées partagent généralement une tension de mode commun élevée. L’amplificateur différentiel rejette la tension de mode commun et la tension restante différentielle est amplifiée et présentée à la sortie de l’amplificateur sous forme de tension asymétrique. La tension rejetée peut être en courant alternatif ou continu, et cette tension de mode commun est généralement supérieure à la tension d’entrée différentielle. L’efficacité de la réjection diminue à mesure qu’augmente la fréquence de la tension de mode commun. Les amplificateurs montés dans un même boîtier sont mieux appairés, ont une capacité parasite similaire et ne nécessitent aucun câblage externe. Par conséquent, un amplificateur double à large bande passante et aux performances élevées sera plus performant en fréquence que deux amplificateurs discrets.

Une solution simple consiste à utiliser deux amplificateurs de précision dans un même boitier avec un réseau de résistance pour le gain, comme le montre la Figure 1. Ce circuit permet de convertir simplement une entrée différentielle en une sortie asymétrique à gain ajustable. Le gain du système peut être réglé par l’équation 1 :

VOUT = Gain × (VIN1 – VIN2)

Où le gain = RF/1 kΩ et (VIN1 – VIN2) est la tension d’entrée différentielle.

Généralement, cette technique assure une lecture plus stable lorsque des interférences électromagnétiques (EMI) ou hautes fréquences (RFI) sont présentes ; elle est par conséquent recommandée lorsque l’application est sensible au bruit. C’est notamment le cas pour mesurer les sorties de capteurs tels que thermocouples, jauges de contrainte et capteurs de pression du type pont résistif qui produisent de très petits signaux dans un environnement bruyant.

Ce circuit offre de meilleures performances par rapport à une entrée asymétrique (référencée à la masse), non seulement car il mesure la différence de tension entre les bornes positive et négative du capteur, mais également car il assure une réjection de mode commun avec un certain gain. En outre, la masse du capteur peut être différente de la masse analogique. Une tension de sortie référencée à la masse est importante dans de nombreuses applications. La précision du système dépend de la tolérance du réseau de résistances.

Le circuit peut convertir une entrée différentielle en une sortie asymétrique avec un gain ajustable. Le gain du système peut être fixé par le rapport entre RF et RG1 en supposant que RG2 = RG1, et que le gain de l’amplificateur B est de –1.

Par exemple, l’ADA4807-2, un amplificateur 180 MHz double, peut être utilisé pour construire un amplificateur inverseur pour cette application. De plus, ce circuit génère un bruit très faible. Avec un faible courant de repos de 1000 µA par amplificateur, le circuit convient idéalement aux systèmes de conversion de données basse consommation et haute résolution.

Le mode commun en entrée peut dépasser le niveau des tensions d’alimentation. La sortie est de type rail à rail, ce qui est utile en présence d’un fort signal de mode commun ou d’une tension de sortie élevée. Par exemple, la carte d’acquisition de données dispose d’un convertisseur analogique/numérique qui accepte une entrée asymétrique de 0 à 5 V. Cependant, la source du signal est une tension différentielle générée par un capteur de type pont résistif dans lequel un potentiel varie en positif tandis que l’autre varie en négatif en réponse à la pression exercée et ce, en présence d’un bruit commun.

Les courbes en Figure 2 ont été enregistrées en appliquant une tension d’entrée différentielle et en faisant varier le gain du circuit. La valeur de RF définit le gain du système. Comme on peut le constater, les courbes correspondent à des gains de 1, 2 et 4 pour une tension d’entrée différentielle de 1 Vpp et 1 kHz.

Ce circuit peut être utilisé pour mesurer une faible différence entre deux tensions élevées. Par exemple, prenez une solution avec une simple précision de 1 % utilisée pour surveiller un pont de Wheatstone classique qui est alimenté par une tension de 3 V/GND dans un système alimenté par batterie sous 3 V. L’utilisation de résistances 1 % ou mieux permettra d’atteindre le niveau de précision requis ; le circuit rejettera alors tout mode commun et amplifiera le signal du pont par le gain pour lequel le circuit est réglé. Si vous attaquez un convertisseur analogique/numérique, un décalage de niveau devra être appliqué pour que le signal de sortie soit compris entre 0 et 5 V.

Ce circuit combine un excellent niveau de distorsion et un faible courant de repos. L’utilisation d’un ampli-op doube permet de réduire le coût du système, tandis que l’utilisation d’un amplificateur différentiel garantit de meilleures performances.

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