Lab3: L`amplificateur `instrumentation

 Laboratoire 3 L’amplificateur d’instrumentation Cheikh Latyr Fall, Philippe Létourneau et Benoit Gosselin Université Laval -­‐ Hiver 2015 Objectifs ü Familiarisation avec les amplificateurs d’instrumentation. ü Étude de l’effet de l’amplificateur d’instrumentation sur le signal différentiel et le signal en mode commun. ü Utilisation d’un amplificateur d’instrumentation commercial de précision. ü Conception d’un thermomètre électronique de précision. Description 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. Questions pré-­‐laboratoire et simulation SPICE (10 %) 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 = -­‐5V. Afin de simuler le comportement réel des sources alternatives en laboratoire, rajoutez une résistance de 50 ohms en série avec les sources idéales. Configuration d’amplificateur d’instrumentation L’élément central d’un amplificateur d’instrumentation est l’amplificateur différentiel. La Figure 1 montre un amplificateur différentiel à un seul ampli-­‐op. 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 amplis-­‐op. 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 amplis-­‐op. 2 GEL-­‐3000 − Électronique des composants intégrés Figure 1: L’amplificateur différentiel à un ampli-­‐op. 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. Figure 2: L’amplificateur d’instrumentation à trois amplis-­‐op. 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 constatez-­‐vous? Imprimez ces deux courbes. Effectuez la simulation fréquentielle du circuit de la Figure 2. Relevez la fréquence de coupure à -­‐3dB 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’advient-­‐il du TRMC en fonction de la fréquence? Expliquez. 3 GEL-­‐3000 − Électronique des composants intégrés Le composant INA126 : un amplificateur d’instrumentation monolithique 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 Burr-­‐Brown. 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. Figure 3: L’amplificateur d’instrumentation INA126. Calculez théoriquement le gain différentiel du circuit de la Figure 3. Référez-­‐vous 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 -­‐3dB 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’advient-­‐il du TRMC en fonction de la fréquence? Expliquez. Comparez les résultats obtenus avec ceux du circuit précédent. Application : le thermomètre de précision 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 4 GEL-­‐3000 − Électronique des composants intégrés température entre les nœuds Vp+ et Vp-­‐. 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. 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. Travaux à effectuer au laboratoire (45%) Cette partie du travail s’effectue au PLT-­‐3101 et consiste à réaliser les montages des circuits illustrés sur les Figure 2 à 4. Les instructions en gras indiquent les éléments devant figurer dans le rapport. Relevez-­‐y les mesures demandées, comparez-­‐les avec les valeurs simulées et discutez vos résultats. Pour tous vos montages, choisissez +5V pour l’alimentation positive et -­‐
5V pour l’alimentation négative. Le bon fonctionnement de vos circuits sera constaté dans votre rapport de laboratoire. 5 GEL-­‐3000 − Électronique des composants intégrés 1. Mesure du gain différentiel Afin de mesurer le gain différentiel de l’amplificateur d’instrumentation, réalisez le schéma électronique suivant : 1 2 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 (crête-­‐
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. 2. Mesure du gain en mode commun 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. 6 GEL-­‐3000 − Électronique des composants intégrés 3. Montage de l’amplificateur d’instrumentation à trois amplis-­‐op 3.1. Montez le circuit de la Figure 2 sur votre breadboard. 3.2. Mesurez le TRMC de ce circuit. Calculez le TRMC du circuit. Présentez dans un même tableau les tensions d’entrée appliqués (Vin1 et Vin2), la tension de sortie et le gain différentiel. Dans un autre tableau, présentez les mêmes mesures que pour le calcul du gain différentiel mais pour le gain en mode commun. Présentez aussi le calcul effectué pour trouver le TRMC. 3.3. Ensuite, trouvez la fréquence de coupure à -­‐3dB du circuit. À cet effet, mettez Vd12 à la masse, appliquez une tension de 100 mVpp à Vd11 et mesurez la sortie. Relevez cette fréquence de coupure dans votre rapport. 4. Montage de l’amplificateur d’instrumentation INA126 4.1. Montez le circuit de la Figure 3 sur votre breadboard. 4.2. Mesurez le TRMC de ce circuit de la même manière que pour l’ampli à trois amplis-­‐op. Présentez dans un même tableau les tensions d’entrée appliqués (Vin1 et Vin2), la tension de sortie et le gain différentiel. Dans un autre tableau, présentez les mêmes mesures que pour le calcul du gain différentiel mais pour le gain en mode commun. Présentez aussi le calcul effectué pour trouver le TRMC. Comparez vos résultats avec les données de la fiche technique du INA126. 4.3. Comparez la performance du INA126 avec l’amplificateur d’instrumentation à trois ampli-­‐op. 4.4. Augmentez le gain de ce circuit d’un facteur 2 et rapportez le TRMC résultant. Présentez les mesures sous la même forme que pour le point 4.2. Comparez la valeur du TRMC obtenue avec la valeur précédente et expliquez votre résultat. 5. Montage du thermomètre électronique 5.1. Montez le circuit de la Figure 4 sur votre breadboard. 5.2. Démontrez le fonctionnent de ce thermomètre en présentant votre circuit aux dépanneurs. Assurez-­‐vous que le gain du circuit soit approprié pour que l’ampli amplifie la température suffisamment pour couvrir efficacement la plage de tension de sortie. Ajustez le gain de l’ampli au besoin. 5.3. Réalisez une courbe représentant la tension de sortie de l’INA126 en fonction de la température (courbe de calibration). Pour ce faire utilisez le montage de test présenté au début du laboratoire. La réalisation de cette étape vous accordera des points supplémentaires (bonus). Que constatez-­‐vous en regardant cette courbe? 7 GEL-­‐3000 − Électronique des composants intégrés Rapport et questions post-­‐ laboratoire (45%) Répondez aux questions suivantes: 1) Quels sont les points importants à retenir dans ce laboratoire? Quelles sont les difficultés rencontrées (s’il y a lieu)? 2) Expliquez le fonctionnement d’un pont de Wheatstone. Calculez l’erreur relative sur la température mesurée à l’aide du INA126 si les résistances et la thermistance qui forment le pont de Wheatstone ont des tolérances de 2%. 3) Expliquez pourquoi un amplificateur d’instrumentation à trois amplis-­‐op peut normalement offrir une plus grande impédance d’entrée qu’un simple amplificateur différentiel. 4) Expliquez l’influence qu’on les courants de polarisation de l’ampli-­‐op lors de l’amplification de signaux provenant d’une gauge de déformation ou encore d’une thermistance. Votre explication doit donc montrer dans quel cas nous devons porter une attention particulière au courant de polarisation lors d’un design électronique. 5) Expliquez qu’est-­‐ce que le input voltage common-­‐mode range. Consultez la première fiche technique du AD8628 (Analog Devices) et du LMV358 (National Semiconductor). Trouvez la principale différence (indice : au niveau du rail-­‐to-­‐rail, dans le titre) et expliquez le lien avec le input voltage common-­‐mode range. Rapport Dans votre rapport, répondez aux questions posées de façon succincte. Il n’est pas nécessaire de rédiger une introduction et une conclusion. Les courbes et valeurs demandées (les informations en gras dans le protocole) devront être présentées en spécifiant les numéros de question correspondants. De plus, placez la dernière page de cet énoncé comme 1ère page de votre rapport et remplissez-­‐là. Votre rapport doit être remis en format texte imprimé dans la boîte identifiée GEL-­‐3000 située en avant du PLT-­‐1300 au plus tard à 16h30 la journée précédant le prochain Laboratoire. De plus, téléversez-­‐en également une copie électronique sur Pixel (https://pixel.fsg.ulaval.ca/) avant la date limite. Laboratoire 3 L’amplificateur d’instrumentation Nom 1. 2. Matricule Signature de l’assistant : Date :