Amplificateur de mesure

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Pour les articles homonymes, voir Amplificateur.

Un amplificateur de mesure (en anglais Instrumentation Amplifier, in-amp ou INA) est un
dispositif électronique destiné au traitement de faibles signaux électriques. On le trouve
également dans la littérature sous le nom d'amplificateur d'instrumentation.
L'amplificateur de mesure est un élément essentiel dans la partie de conditionnement
d'une chaîne d'acquisition : il permet le traitement de signaux issus de capteurs de mesure.
Il est généralement réalisé à partir d'un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels (AOP), de
telle manière qu'il améliore leurs caractéristiques intrinsèques : composante continue, dérive,
bruit d'amplification, gain en boucle ouverte, taux de réjection du mode commun, impédance
d'entrée.

Sommaire

 1Caractéristiques
 2Fonctionnement
o 2.1Amplificateur différentiel
o 2.2Amplificateur de mesure
 2.2.1Montage à 2 AOP
 2.2.2Montage à 3 AOP
 3Réalisations
 4Applications
o 4.1Usage dans le cadre des boucles PLL
 5Quelques circuits très courants d'AOP à un circuit
 6Bibliographie
 7Notes et références
o 7.1Notes
o 7.2Références
 8Voir aussi
o 8.1Articles connexes
o 8.2Liens externes

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Perturbation de mode commun

Les caractéristiques importantes d'un amplificateur de mesure sont celles d'un amplificateur
opérationnel.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Caractérisation dynamique d'un AOP

L'amplificateur d'instrumentation est réalisé à partir d'amplificateurs opérationnels (AOP) qui est
un amplificateur avec un gain différentiel très important. La fonction de transfert idéale s'écrit :

.
En réalité l'AOP présente des défauts : courants d'offset et
tension d'offset à l'entrée, TRMC, impédance de sortie, variation
en fréquence du gain.
Voici un tableau donnant les caractéristiques d'un AOP :

Ordre de Bipolaire BiFET Bimos Cmos

Propriété
grandeur (LM741)1,2,3 (TL081)N 1,4 (CA3140)5 (LMC6035)6

Amplification Adiff=Vs/(V+-V-) > 105 7 2*105 2*105 105 106

Gain Gdiff=20.log(Adiff) > 100 7 106 106 100 120

Impédance d'entrée Re (Ω) > 105 8 2*106 1012 1,5*1012 > 1013

Impédance de sortie Rs (Ω) < 200 75 100 60

Fréquence de coupure f1 10 HzN 2 ~20 Hz

Courants de fuite I+, I- < 500 nA 80 nA 30 pA 10 pA 0,02 pA

Tension d'offset Voff (mV) < 10 1 3 8 0,5

TRMC Gdiff/Gmc (dB) > 707 90 86 90 96

18 40 27
Tension de bruit (nV/ )N 3

Le but de l'amplificateur d'instrumentation est de réduire ces

défauts.
Amplificateur différentiel[modifier | modifier le code]

Schéma d'un amplificateur différentiel classique (1 AOP)

L'amplificateur différentiel classique est réalisé à partir

d'un amplificateur opérationnel, utilisé en mode linéaire (contre
réaction de la sortie sur son entrée négative, peut être aussi sur
l'entrée positive suivant un autre schéma).
Le gain de ce montage est :

Le gain peut se régler par une résistance placée entre les

points communs des deux R2 préalablement divisées en
deux chacune.
Ce montage est principalement utilisé lorsque les
contraintes de complexité, de coût, de taille, de faible
consommation sont importantes. De plus ce montage
autorise des excursions d'entrée au-delà de la tension
d'alimentation. Il présente néanmoins certaines limitations :
le TRMC du montage correspond au TRMC de l'AOP,
l'impédance d'entrée est égale à R1 + R2, donc
relativement faible. Ce montage conviendra donc pour des
sources de faible impédance, et avec une faible fluctuation
de la tension de mode commun.
Il faut également noter que ce montage est à la base de
tous les amplificateurs de mesure. Les montages plus
élaborés utilisent d'autres AOP pour limiter les
inconvénients de l'amplificateur différentiel classique.
Amplificateur de mesure[modifier | modifier le
code]
Montage à 2 AOP[modifier | modifier le code]

Schéma d'un amplificateur d'instrumentation à 2 AOP

Le gain de ce montage est

Montage à 3 AOP[modifier | modifier le code]

Schéma typique d'un amplificateur d'instrumentation

Ce montage est le plus utilisé . Son gain est

L'amplificateur d'instrumentation idéal devrait avoir

un gain en mode commun nul (TRMC infini). En
réalité, dans le circuit ci-contre, la valeur de ce gain
est déterminée par les tolérances des valeurs des
résistances qui rendent le schéma asymétrique, et
par le gain de mode commun non nul des
deux AOP utilisés. La réalisation de résistances
appairées en valeur est la principale contrainte de
fabrication des circuits d'instrumentation9.

Réalisations[modifier | modifier le code]

Les amplificateurs d'instrumentation peuvent être
réalisés avec des AOP individuels et des
résistances de précision, mais ils sont aussi
disponibles en circuits intégrés chez de nombreux
fabricants (Texas Instruments, Analog
Devices, Linear Technology, etc.). Généralement
ces circuits offrent de très bons TRMC, du fait de la
fabrication très précise des résistances intégrées
(découpe au laser).

Applications[modifier | modifier le code]

Usage dans le cadre des boucles
PLL[modifier | modifier le code]

 Comparateur de phase :
L'amplificateur différentiel est un élément idéal pour
le comparateur de phase de la boucle à verrouillage
de phase. En effet, l'objectif d'un comparateur de
phase d'une PLL est de délivrer une tension
d'erreur représentative du décalage paramétrique
des deux entrées du comparateur. Or le rôle d'un
amplificateur différentiel est de réjecter le signal
commun de ses entrées pour amplifier uniquement
la composante différentielle ; et dans le cas présent
de la boucle PLL cette composante différentielle
représente le signal d'erreur du comparateur de
phase destiné à corriger les dérives de l'oscillateur
VCO.

 Oscillateur VCO :
Dans le cadre des oscillateurs VCO, la tension
différentielle délivrée par l'amplificateur différentiel
permet de polariser la diode varicap du VCO. Autre
avantage, l'offset intrinsèque du VCO peut être
parfaitement maîtrisé grâce à la possibilité de
réglage précis du courant BIAS de l'amplificateur
différentiel. Cette technique permet aussi de réduire
considérablement le bruit de phase du VCO dû aux
perturbations du courant de polarisation.

Quelques circuits très courants

d'AOP à un circuit[modifier | modifier le
code]

 AD620
 INA111

Bibliographie[modifier | modifier le code]

 Paul Horowitz, Winfield Hill, Traité de
l’électronique analogique et numérique [« The
Art of Electronics »], vol. 1 : Techniques
analogiques, Elektor, 1996 (ISBN 978-2-86661-070-
8 et978-2866610708)
Notes et références[modifier | modifier
le code]
Notes[modifier | modifier le code]

1. ↑ Le terme BiFET désigne un AOP utilisant des

transistors JFET en entrée et des transistors
bipolaires ailleurs
2. ↑ Pour un AOP compensé
3. ↑ à 1 kHz
Références[modifier | modifier le code]

1. ↑ (en) LM741 « Operational Amplifier

Datasheet » [archive] [PDF], sur le site national.com
2. ↑ (en) « LM741 Operational Amplifier
Datasheet » [archive] [PDF], sur le site intersil.com
3. ↑ (en) « µA741 General-purpose Operational
Amplifier Datasheet (Texas) » [archive] [PDF], sur le
site focus.ti.com
4. ↑ (en) « TL081 Datasheet » [archive] [PDF], sur le
site national.com
5. ↑ (en) « CA3140 Datasheet » [archive] [PDF], sur le
site intersil.com
6. ↑ (en) « LMC6035 Datasheet » [archive] [PDF],
sur le site national.com
7. ↑ a b et c (en) Walt Jung, Op Amp Applications
Handbook, Burlington, Newnes, 2004 (ISBN 978-0-
7506-7844-5, LCCN 2004053842), « 1-1 :
introduction », p. 6 : « Ideal Op Amp Attributes »
8. ↑ (en) Walt Jung, Op Amp Applications Handbook,
Burlington, Newnes, 2004 (ISBN 978-0-7506-7844-
5, LCCN 2004053842), p. 59 : « Input Impedance »
9. ↑ (en) Smither, Pugh et Woolard, CMRR Analysis
of the 3-op-amp instrumentation
amplifier, Electronics letters, Volume 13, Issue 20,
29 September 1977, page 594

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le
code]

 Électronique analogique
 Instrumentation (science)
 Capteur
Liens externes[modifier | modifier le code]

 (en) Opamp Instrumentation Amplifier [archive]

 (en) The instrumentation amplifier [archive]
 (en) Lessons In Electric Circuits — Volume III
— The instrumentation amplifier [archive]
 (en) Eamon Nash, Analog Devices - A Practical
Review of Common Mode and Instrumentation
Amplifiers [archive][PDF]
 (en) A Designer's Guide to Instrumentation
Amplifiers (3rd Edition) [archive]
  (fr) http://meteosat.pessac.free.fr/Cd_elect/cour
electr.free.fr/AINST/COURS.HTM [archive]
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