Amplificateurs opérationnels : optimiser les compromis entre performances et consommation d’énergie

Augmenter les performances tout en minimisant la consommation d’énergie : ce compromis concerne un éventail d’applications de plus en plus large, notamment sur le marché des produits mobiles alimentés par batterie. À l’heure de l’Internet des objets (IoT), de l’Industrie 4.0 et de la transformation numérique, ces appareils portatifs simplifient bon nombre d’aspects de la vie quotidienne, qu’il s’agisse de la surveillance mobile des signes vitaux dans le domaine de la santé ou de la supervision des machines et des systèmes dans le secteur industriel. La nécessité d’augmenter les performances tout en allongeant l’autonomie de la batterie concerne également les produits grand public, tels que les smartphones et les appareils électroniques nomades (wearables).

La quantité d’énergie limitée dont disposent les batteries pour alimenter un appareil portable impose l’utilisation de composants efficaces qui consomment un minimum de courant en mode actif et maximisent sa durée de fonctionnement. Par ailleurs, une consommation d’énergie moins élevée permet de bénéficier d’une autonomie comparable tout en utilisant une batterie de moindre capacité, ce qui permet de réduire les dimensions, le poids et le coût. Il convient par ailleurs de tenir compte d’un autre paramètre, à savoir la gestion de la température. Dans ce cas également, des composants plus efficaces jouent un rôle positif. La gestion du refroidissement — une tâche qui occupe un certain volume?— peut être minimisée, dans la mesure où la quantité de chaleur générée est moins importante. À cet égard, les composants basse consommation, voire ultra-basse consommation (ULP — Ultra Low Power), ne manquent pas. Le présent article se concentre précisément sur les amplificateurs opérationnels basse consommation.

Atteindre un équilibre optimum entre consommation d’énergie et performances

Au moment de choisir un d’un amplificateur opérationnel, plusieurs compromis concernant la consommation d’énergie doivent être pris en compte.

Une consommation réduite va souvent de pair avec une bande passante moins importante. Cependant, il importe également de tenir compte de l’architecture de l’amplificateur et de ses exigences de stabilité. De manière générale, plus la capacité et l’inductance parasites sont élevées, plus la bande passante est faible. À titre d’exemple, les amplificateurs à transimpédance (également appelés amplificateurs à contre-réaction de courant) présentent une bande passante relativement élevée, mais un niveau de précision inférieur. Quelques astuces permettent toutefois d’optimiser le rapport entre la bande passante et la puissance consommée.

Le produit gain bande passante (GBW — Gain-BandWidth) se calcule généralement de la façon suivante :

, ou où Gm est la transconductance, c’est-à-dire le rapport entre le courant de sortie et la tension d’entrée (IOUT/VIN), et C la capacité de compensation interne.

Pour augmenter la bande passante, la solution classique consiste à augmenter le courant de polarisation, ce qui a pour effet d’augmenter la valeur de Gm au prix d’une consommation d’énergie accrue. Ce n’est pas ce que nous recherchons, notre objectif étant de réduire cette consommation.

Habituellement, la capacité de compensation C doit fixer le pôle dominant, de sorte que la capacité de charge n’affecte pas la bande passante.

Si une capacité plus faible va généralement de pair avec une bande passante plus élevée — laquelle est alors limitée par les caractéristiques physiques de l’amplificateur —, elle aura également une incidence sur la stabilité, alors qu’elle permet généralement d’améliorer la stabilité à un faible gain de bruit. Mais en réalité, il est impossible de commander une telle charge purement capacitive à des niveaux de gain de bruit inférieurs.

Le bruit en tension souvent plus élevé constitue un autre compromis dont il convient de tenir compte dans l’utilisation d’amplificateurs opérationnels basse consommation. Cependant, s’il représente généralement le principal contributeur de l’ampli au bruit large bande total en sortie, le bruit de tension rapporté à l’entrée peut être dominé par le bruit thermique résistif. Le bruit total est typiquement dominé par les sources de bruit dans l’étage d’entrée (ainsi, les collecteurs produisent un bruit de grenaille (shot noise), et les drains un bruit thermique). Le bruit en 1/f (bruit de scintillement) varie selon l’architecture, et est notamment provoqué par des défauts particuliers dans les matériaux des composants. Ainsi, il dépend globalement de la taille des composants. En revanche, le bruit en courant est typiquement moins élevé lorsque la puissance consommée est faible.

Cependant, ce bruit ne doit pas être négligé, surtout dans le cas des amplificateurs bipolaires. Dans la région 1/f, le bruit en courant 1/f peut être le contributeur dominant au bruit total en 1/f en sortie de l’amplificateur.

D’autres compromis concernent les performances de distorsion et les valeurs de dérive. Les amplis-ops basse consommation présentent généralement une distorsion harmonique totale (THD — Total Harmonic Distorsion) supérieure, mais à l’image du bruit en courant, les courants de décalage et de polarisation en entrée des amplificateurs bipolaires diminuent à mesure que baisse le courant d’alimentation. La tension de décalage représente une autre caractéristique importante des amplificateurs opérationnels : généralement influencée par l’adaptation des composants en entrée, elle ne provoque pas de pertes de performances significatives à faible puissance, de sorte que la tension de décalage en entrée (VOS) et la dérive de la tension de décalage VOS sont constantes dans la gamme de consommation. Les circuits externes et les résistances de contre-réaction (RF) affectent également le comportement des amplificateurs opérationnels. Des valeurs de résistance plus élevées réduisent la dynamique et la distorsion harmonique, mais augmentent le bruit en sortie, ainsi que les effets qui caractérisent le courant de polarisation.

Pour réduire davantage la consommation, de nombreux appareils sont souvent dotés d’une fonction de veille ou de mise en sommeil qui permet de désactiver des fonctions non utilisées et de les réactiver lorsqu’elles redeviennent utiles. Le délai de réactivation est généralement plus long dans le cas des amplificateurs basse consommation. Les compromis décrits précédemment sont résumés dans la table?1.

Table?1. Compromis concernant les amplificateurs opérationnels basse consommation

L’amplificateur différentiel bipolaire ADA4945-1 assure un bon compromis entre ces différentes exigences. En raison de sa faible tension de décalage en sortie (dc offset), de la faible dérive de la tensions de décalage en sortie (dc offset drift) et de ses performances dynamiques exceptionnelles, il convient parfaitement à de nombreuses applications de traitement du signal et d’acquisition de données haute résolution et haute performance qui requièrent un circuit de commande pour attaquer un convertisseur analogique/numérique (CAN), comme le montre la figure 1 où l’ADA4945-1 attaque un convertisseur AD4022. Les différents modes d’alimentation disponibles permettent d’optimiser les compromis entre performances et puissance consommée en fonction du convertisseur utilisé. Par exemple, le mode « pleine puissance » convient parfaitement à l’AD4020, tandis que le mode « basse puissance » est davantage adapté à la fréquence d’échantillonnage inférieure des convertisseurs AD4021 ou AD4022.

chaîne de signal
Figure 1. Exemple de chaîne de signal simplifiée pour un système d’acquisition de données haute résolution.

Par Thomas Brand, ingénieur d’applications, Analog Devices

Source : com-trail.fr