Par Brian Black Directeur du marketing produits Conditionnement du Signal  Linear Technology Corporation

Les amplificateurs opérationnels sont les composants à tout faire du concepteur analogique, ils sont utilisés pour extraire, amplifier, décaler, buffériser, combiner, filtrer et conditionner les signaux du monde réel. Pour les applications qui exigent une haute précision et une grande stabilité, les concepteurs doivent examiner soigneusement les spécifications comme le décalage (offset) de tension d’entrée, le bruit et la bande passante, et choisir des amplis opérationnels qui présentent les performances nécessaires. Les erreurs ont tendance à s’additionner, aussi, une grande attention doit être apportée au choix des autres composants qui suivent l’amplificateur comme les convertisseurs de données et les références de tension. Bien que ces derniers soient importants, on ne doit cependant pas ignorer les effets de la précision des composants qui précèdent et entourent l’amplificateur, particulièrement les résistances.

Effets de l’appariement des résistances sur la précision d’un système

L’exemple de circuit présenté ci-dessous utilise quatre résistances et un amplificateur opérationnel pour constituer un amplificateur différentiel traditionnel.

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La tension de sortie est déterminée par le rapport des résistances :
vout
À partir de la formule ci-dessus, nous voyons qu’il y a un cas où l’appariement des résistances est plus critique que leur précision absolue dans la détermination de la performance du circuit amplificateur. Si R1 et R2 varient dans la même proportion, le gain ne change pas. Si une résistance varie par rapport à l’autre, alors le rapport de R1 à R2 et donc le gain varient. C’est également vrai dans d’autres circuits diviseurs couramment utilisés comme les diviseurs de précision, les étages de gain de précision, et les circuits en pont. Dans la discussion qui suit, les effets sur la performance d’un mauvais appariement des résistances vont être analysés pour trois types de résistances : des résistances de précision discrètes, des réseaux de résistances appariées traditionnels et la nouvelle famille de résistances de précision couches minces appariées LT5400.

Dans les applications de précision comme l’amplificateur différentiel présenté plus haut, il est nécessaire d’utiliser des résistances meilleures que les résistances standard à 1%. Commençons par envisager des résistances dix fois plus précises à 0,1%. Comme chaque résistance peut varier de -0,1% à +0,1% par rapport à sa valeur nominale, dans le pire des cas, l’erreur d’appariement des deux résistances serait de ±0,2 % ((1+0,001)/(1-0,001) = 1,002) ou 2000 ppm, ou 9 bits de précision à la température ambiante. En fonction de la température, l’appariement pose un problème encore plus ardu. La plupart des fabricants de résistances spécifient un coefficient de température qui est séparé de la spécification de tolérance. Les résistances à 0,1 % utilisées dans cet exemple ont un coefficient de température de 25 ppm/°C. Dans une plage de 0°C à 70°C, le résultat est une erreur supérieure à 3000 ppm. Cette erreur se traduit par une erreur de gain du circuit amplificateur, sans compter les erreurs de l’ampli opérationnel lui-même ou d’autres sources d’erreurs dans la chaîne du signal.

Pour une meilleure précision, on peut choisir des résistances plus précises à tolérance de 0,01 %, mais pour une meilleure performance, on doit utiliser un réseau de résistances de précision appariées. Un réseau de résistances, où des résistances multiples sont intégrées dans un même boîtier, comportera des résistances qui tendront à varier de la même façon en fonction de la température. Par exemple, un réseau de tolérance 0,01% pourrait avoir un coefficient de température de ±2 ppm/°C, conduisant à une erreur de 190 ppm de 0°C à 70°C. C’est une amélioration importante par rapport aux résistances discrètes à 0,1 %.

Quand une précision encore plus grande est nécessaire, une nouvelle famille de résistances appariées de Linear Technology, le LT5400, peut être utilisée. Elle emploie des techniques d’implantation soignées pour que chacune des quatre résistances couches minces soit équilibrée géométriquement et partage le même point central. La famille LT5400 est disponible en boîtier miniature pour montage en surface, et présente une tension de fonctionnement de ±75 V. Chaque boîtier comporte quatre résistances et différentes valeurs nominales de résistance sont disponibles dans les rapports R1/R2 de 1, 5 et 10, d’autres options étant à venir (voir tableau 1). Une large pastille exposée en dessous du boîtier assure des conditions thermiques cohérentes pour chacune des quatre résistances et cette pastille réduit aussi la montée de température interne dans le cas d’une grande puissance dissipée.  Cette conception garantit que les quatre résistances sont soumises au même environnement de fonctionnement. La famille LT5400 présente un appariement résistance à résistance meilleur que 0,01 %, une dérive de l’appariement en fonction de la température meilleure que 1 ppm/°C et une erreur de stabilité à long terme de moins de 2 ppm après 2000 heures. De ce fait, elle obtient une erreur d’appariement de 100 ppm sur la plage de températures de 0° C à 70 °C (Tableau 2).  Elle conserve une excellente performance dans une plage de températures plus étendue, de -50 °C à 150 °C.  La LT5400 est aussi très stable en fonction du temps, elle présente une variation de moins de 2 ppm sur 2000 heures.

Effets de la tension de mode commun

Dans beaucoup d’applications, le signal à conditionner par l’amplificateur est superposé à un signal de mode commun plus élevé et parfois variable. Idéalement, l’amplificateur ignore le signal de mode commun et amplifie, bufférise ou conditionne le signal différentiel. Si le signal de mode commun n’est pas annulé efficacement par l’amplificateur, il peut en résulter des tensions de décalage et des distorsions en sortie. Le taux de réjection de mode commun (CMMR) d’un amplificateur indique comment cet amplificateur bloque la composante de mode commun du signal d’entrée. Une fois encore, la désadaptation des résistances dans ces applications peut facilement être la plus grande contribution à l’erreur de mode commun. Le CMMR dû à la désadaptation des résistances est habituellement exprimé en dB et peut être calculé à partir de la formule suivante :
cmrr

où G est la valeur nominale de R1/R2 et ?/R est l’erreur d’appariement du rapport entre les résistances.

Avec les exemples ci-dessus, nous voyons que les résistances jouent encore une fois un rôle dominant dans l’établissement du bon fonctionnement global du système. En utilisant l’équation ci-dessus, nous pouvons calculer l’aptitude à la réjection de mode commun des résistances précédemment évoquées. Une paire de résistances à 0,1 % présentera un CMRR de 54 dB et un réseau à 0,01 % présentera un CMRR de 74 dB. Le réseau de résistances LT5400 est différent des autres résistances envisagées quant à sa performance CMRR. C’est parce ce qu’il est conçu, testé, et garanti spécialement pour une tolérance serrée du CMRR. Il présente une spécification d’appariement garantie pour un CMRR de 0,005 %, atteignant 86 dB en fonction de la température pour la version de qualité la plus élevée. C’est une performance double de celle qui pourrait être obtenue en utilisant la formule ci-dessus.

Conclusion

Des amplis opérationnels combinés à des composants discrets peuvent servir à un grand nombre de circuits utiles. On doit prendre autant de soin à choisir les composants externes qu’à choisir l’amplificateur lui-même. L’appariement des résistances, et particulièrement en fonction de la température et de la tension de mode commun sont des spécifications importantes qui vont déterminer la précision du système et si un calibrage en usine ou sur le site sera nécessaire pour obtenir la précision désirée. Les réseaux de résistances conviennent le mieux pour ces applications et des nouveaux produits comme le réseau de quatre résistances LT5400 atteint une excellente précision.

Tables 1

Table 2

Source: zellercom.com