Lab3: L`amplificateur `instrumentation

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Laboratoire)3!
L’amplificateur!d’instrumentation!
Cheikh!Latyr!Fall,!Philippe!Létourneau!et!Benoit!Gosselin!
Université!Laval!:!Hiver!2015!
!"#$%&'()*
! Familiarisation!avec!les!amplificateurs!d’instrumentation.!
! Étude!de!l’effet!de!l’amplificateur!d’instrumentation!sur!le!signal!différentiel!et!le!signal!en!
mode!commun.!
! Utilisation!d’un!amplificateur!d’instrumentation!commercial!de!précision.!
! Conception!d’un!thermomètre!électronique!de!précision.!
+$)%,'-&'./*
Plusieurs! considérations! pratiques! entrent! dans! la!conception!d’un! amplificateur!
d’instrumentation.!Tout!d’abord,!l’amplificateur!doit!fournir!un!gain!différentiel!approprié!et!un!
gain!en!mode! commun!très! faible! afin! de! rejeter! cette! tension! indésirable.! Ensuite,!plusieurs!
autres! paramètres!entrent!en! jeux,! dont! la! réponse! en! fréquence! de! l’amplificateur,! sa!
consommation!d’énergie,!son!coût,!etc.!Ce!travail!pratique!consiste!à!effectuer!la!simulation,!le!
montage! et! le! test! d’amplificateurs! d’instrumentation.! L’amplificateur! d’instrumentation!à! 3!
amplificateurs!opérationnels!ainsi!qu’un!ampli!monolithique!trimmé!(INA126)!seront!utilisés.!
Ce!dernier!sera!ensuite!utilisé!dans!une!application!typique!de!thermomètre!de!précision.!
01$)&'./)*-,2345".,5&.',$*$&*)'6145&'./*789:;*<=>*?@*
Répondez! aux! questions!suivantes! avant! de! vous! présenter! au! laboratoire.! N’oubliez! pas!
d’imprimez!vos!courbes!et!vos!réponses!afin!de!les!remettre!à!l’assistant!en!début!de!séance.!
Pour!toutes!les!simulations,!utilisez!VDD!=!5V!et!VSS!=!X5V.!Afin!de!simuler!le!comportement!
réel!des!sources!alternatives!en!laboratoire,!rajoutez!une!résistance!de!50!ohms!en!série!avec!
les!sources!idéales.!
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:./('A1,5&'./*BC56-4'('%5&$1,*BC'/)&,16$/&5&'./**
L’élément!central!d’un!amplificateur!d’instrumentation!est!l’amplificateur!différentiel.!La!Figure!
1!montre!un!amplificateur!différentiel!à!un!seul!ampliXop.!Un!fonctionnement!adéquat!exige!de!
choisir!R5!=!R6!et!R8!=!R7,!ce!qui!est!difficile!à!satisfaire!à!cause!des!tolérances!des!résistances.!
La!Figure!2!montre!une!configuration!à!trois!amplisXop.!Comme!pour!la!topologie!précédente,!il!
faut!choisir!R11!=!R13,!R14!=!R15!et!R16!=!R17.!Cette!dernière!est!complètement!symétrique!et!
offre!une!résistance!d’entrée!plus!élevée!que!la!précédente,!au!coût!de!2!amplisXop.!

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2!
GELX3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
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Figure'1:'DC56-4'('%5&$1,*B'((2,$/&'$4*E*1/*56-4'3.-F*
Calculez!la!valeur!du!gain!différentiel!et!du!gain!en!mode!commun!de!l’amplificateur!différentiel!
(Figure!1)!en!fonction!des!résistances!discrètes!qui!le!constitue!si!R5!=!R6!=!1!kΩ!et!R7!=!R8!=!8!
kΩ.! Indiquez! toutes! les! traces! de! votre! démarche.!Ensuite,! supposez! que! R5! voit! sa! valeur!
diminuer!de!5%,!recalculez!les!gains!différentiel!et!commun.!
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Figure'2:*DC56-4'('%5&$1,*BC'/)&,16$/&5&'./*E*&,.')*56-4')3.-F'
Calculez!théoriquement!le!gain!différentiel!de!cet!amplificateur!d’instrumentation!(Figure!2).!!
Réalisez!le!schéma!du!circuit!de!la!Figure!2!dans!Altium!Designer.!
Effectuez! une! simulation! temporelle! du! circuit!:! Configurez! la! source! d’entrée! comme! suit!:!
utilisez! Vd11=Vd12=16mV,! avec! une! fréquence! de! 2! kHz,! ainsi! que! Vcm1=120mV! avec! une!
fréquence! de! 120!Hz.!Comparez!l’entrée! et! la!sortie.!Que! constatezXvous?!Imprimez!ces!deux!
courbes.!
Effectuez!la!simulation!fréquentielle!du!circuit!de!la!Figure!2.!Relevez!la!fréquence!de!coupure!à!
X3dB!et!le!gain!différentiel!respectif.!Obtenez!le!taux!de!réjection!du!mode!commun!(TRMC)!des!
amplificateurs!(Utilisez! la! valeur! maximum! pour! Ad!et! minimum! pour! Acm).! ! Qu’advientXil! du!
TRMC!en!fonction!de!la!fréquence?!Expliquez.!

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3!
GELX3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
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D$*%.6-.)5/&*9GH=IJ*K*1/*56-4'('%5&$1,*BC'/)&,16$/&5&'./*6./.4'&L'M1$*
Nous!avons!mentionné!dans!la!section!précédente!qu’il!était!difficile!de!rencontrer!les!exigences!
sur! la! précision! des! résistances! dans! un! amplificateur! utilisant! des! composants! discrètes.!
L’amplificateur!INA126! est! un! amplificateur! d’instrumentation! monolithique! ajusté! par!
trimming!au!laser!de!la!compagnie!BurrXBrown.!Il!présente!une!faible!consommation!d’énergie!
et!fonctionne!sous!de!basses!tensions!d’alimentation.!La!Figure!3!montre!le!schéma!d’un!circuit!
basé!sur!l’amplificateur!d’instrumentation!INA126.!Le!gain!du!circuit!peut!être!ajusté!à!l’aide!de!
la!résistance!R21.!
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Figure'3:*DC56-4'('%5&$1,*BC'/)&,16$/&5&'./*9GH=IJ.'
Calculez!théoriquement!le!gain!différentiel!du!circuit!de!la!Figure!3.!RéférezXvous!aux!notes!de!
cours!et!à!la!fiche!technique!de!la!puce!INA126!pour!calculer!le!gain!de!ce!composant.!
Réalisez!le!schéma!du!circuit!de!la!Figure!3!dans!AD.!NOTE!:!Téléchargez!la!librairie!préparée!
pour!ce!laboratoire.!Cette!librairie!contient!le!modèle!du!INA126!et!celui!de!la!thermistance!:!
http://wcours.gel.ulaval.ca/2015/h/GEL3000/default/6travaux/G3Lib3.Intlib!!
Effectuez! une! simulation! temporelle! du! circuit!:! Configurez! la! source! d’entrée! comme! suit!:!
utilisez! Vd21=Vd22=12mV,! avec! une! fréquence! de! 1.5!kHz,! ainsi! que! Vcm2=130mV! avec! une!
fréquence!de!90!Hz.!Comparez!l’entrée!et!la!sortie.!Imprimez!ces!deux!courbes.!
Effectuez!la!simulation!fréquentielle!du!circuit!de!la!Figure!3.!Relevez!la!fréquence!de!coupure!à!
X3dB!et!le!gain!différentiel!respectif.!Obtenez!le!taux!de!réjection!du!mode!commun!(TRMC)!des!
amplificateurs!(Utilisez! la! valeur! maximum! pour! Ad!et! minimum! pour! Acm).! ! Qu’advientXil! du!
TRMC!en!fonction!de!la!fréquence?!Expliquez.!
Comparez!les!résultats!obtenus!avec!ceux!du!circuit!précédent.!!
H--4'%5&'./*K*4$*&L$,6.6N&,$*B$*-,2%')'./*
Une!thermistance!est!un!composant!dont!la!résistance!change!en!fonction!de!la!température.!Le!
circuit!présenté!à!la!Figure!4!est!un!pont!de!Wheatstone!qui!permet!de!détecter!le!changement!
de!la!thermistance!en! mesurant! une! tension! différentielle! proportionnelle!au!changement! de!

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4!
GELX3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
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température! entre!les! nœuds! Vp+!et! VpX.! Cette! mesure! permet! de! dériver! subséquemment!le!
changement!de!température.!Cependant,!le!changement!de!résistance!dû!à!une!variation!de!la!
température!est!très!faible,!ce!qui!fait!que!la!plage!de!tension!du!signal!de!sortie!du!pont!est!
typiquement! très! limitée.! Par! conséquent,! il! sera! nécessaire! d’utiliser! un!amplificateur!
d’instrumentation!afin!de!mesurer!le!changement!de!température!avec!une!bonne!précision.!La!
Figure!4!montre!le!circuit!d’un!thermomètre!utilisant!un!pont!de!Wheatstone.!
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Figure'4:'Un'thermomètre'électronique'basé'sur'le'INA126.'
Réalisez!le!schéma!du!circuit!du!thermomètre!électronique!dans!Altium!Designer.!
Pour! le! circuit!de! la! Figure! 4,! effectuez!une! simulation! par! balayage.! Pour! ce! faire,! allez! à! la!
fenêtre!«!Analyses!Setup!»!et!sélectionnez!la!simulation!de!type!«!DC!Sweep!Analysis».!Ensuite,!
choisissez! «![Option]TEMP!»! pour! «!Primary! Source!»,! puis! entrez! «!20!»! comme! valeur! pour!
«!Primary!Start!»,!«!30!»!pour!«!Primary!Stop»,!et!«!0.5!»!comme!valeur!pour!«!Primary!Step!».!!
Lancez!la!simulation,!affichez!la!sortie!de!l’amplificateur!et!imprimer!cette!courbe.!
O,5P51Q*E*$(($%&1$,*51*45".,5&.',$*<RS?@*
Cette!partie!du! travail!s’effectue!au!PLTX3101!et!consiste!à! réaliser!les! montages! des!circuits!
illustrés! sur! les! Figure! 2! à! 4.! Les! instructions! $/* A,5)!indiquent! les! éléments! devant! figurer!
dans!le!rapport.!RelevezXy!les!mesures!demandées,!comparezXles!avec!les!valeurs!simulées!et!
discutez!vos!résultats.!Pour!tous!vos!montages,!choisissez!+5V!pour!l’alimentation!positive!et!X
5V!pour!l’alimentation!négative.!
Le!bon!fonctionnement!de!vos!circuits!sera!constaté!dans!votre!rapport!de!laboratoire.!!
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GELX3000!−!Électronique!des!composants!intégrés!
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=F T$)1,$*B1*A5'/*B'((2,$/&'$4*
Afin!de!mesurer!le!gain!différentiel!de!l’amplificateur!d’instrumentation,!réalisez!le!schéma!
électronique!suivant!:!!
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Figure'5.'Diviseur'de'tension'afin'de'produire'la'source'différentielle'
Le!générateur!de!fonctions!doit!fournir!une!onde!sinusoïdale!d’une!amplitude!de!1,2!Vpp!(crêteX
crête)!et!ayant!une!fréquence!de!1!kHz.!Selon!les!valeurs!de!résistance!du!diviseur!de!tension,!
vous!devriez!obtenir!une!tension!de!200!mVpp!au!point!1!et!100!mVpp!au!point!2.!Vous!pouvez!
maintenant!utiliser!ces!deux!points!afin!d’alimenter!les!entrées!différentielles!de!votre!circuit.!!
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IF T$)1,$*B1*A5'/*$/*6.B$*%.661/*
*
Afin! de! mesurer! le! gain! en! mode! commun! de! l’amplificateur! d’instrumentation,! vous! devez!
connectez! les! deux! entrées! au! même! point.! Reliez! par! la! suite,! ce! point! au! générateur! de!
fonctions.!L’origine!du!signal!commun!aux!deux!entrées!peut!nous!aguiller!afin!de!bien!ajuster!
notre!générateur!de!fonctions.!Prenons!par!exemple!le!pont!de!Wheatstone!dans!le!montage!du!
thermomètre.!Ce!dernier!est!alimenté!par!une!tension!VDD!DC.!Cette!source!de!tension!continue!
est!produite!à!l’aide!de!la!tension!alternative!du!réseau!qui!est!redressée!à!double!alternance!
par!un!pont!de!diode.!Il!y!a!donc!une!oscillation!de!faible!amplitude!et!d’environ!120!Hz!dans!la!
tension!DC.!Cette!composante!alternative!constitue!donc!un!bruit!commun!aux!deux!entrées.!Le!
générateur! de! fonction! peut!donc! fournir! une! tension! sinusoïdale! de! 200! mVpp!et! ayant! une!
fréquence!de!120!Hz,!pour!bien!représenter!le!signal!commun.!!
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1!
2!