AMPLIFICATEUR de DIFFERENCE et

Dept GEII IUT Bordeaux I
AMPLIFICATEUR de DIFFERENCE
et
INSTRUMENTATION
(Vol. 5)
G. Couturier
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email : [email protected]

Sommaire
I- Introduction du rapport de réjection en mode commun d'un amplificateur
II- Rapport de réjection d'un étage amplificateur différentiel à transistors
III- Caractéristiques réelles d'un amplificateur opérationnel
III-I- Caractéristiques d'entrée
III-2- Caractéristiques de transfert
III-3- Caractéristiques de sortie
IV- Amplificateurs d'instrumentation
V- Quelques problèmes d'instrumentation
V-1- Mesure d'une f.e.m. à forte résistance de sortie : technique de
garde
V-2- Technique "quatre fils" pour la mesure des très faibles résistances
V-3- Réjection des bruits de masse par utilisation d'un amplificateur
d'instrumentation
V- 4- Boucle de courant 4- 20 mA
V- 5- Convertisseur fréquence-tension et tension-fréquence
V- 6- Modulateur delta-sigma
V- 7- Isolation galvanique
annexes : data sheet
annexe I : AOP : OPA131, FET-input, Burr-Brown (www.burr-brown.com)
annexe II : AOP : OPA2337, CMOS operational amplifier, Burr-Brown
annexe III : Instrumentation amplifier : INA101, Burr-Brown
annexe IV : 4 - 20 mA two-wire transmitter : XTR101, Burr-Brown
annexe V : Voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter : AD650, Analog
Devives (www.analog.com)
annexe VI : Delta-sigma modulator : ADS1201, Burr-brown
annexe VII : isolation amplifier : ISO100, optically-coupled isolation, Burr-Brown
annexe VIII : isolation amplifier : ISO102, capacitive-coupled isolation, Burr-Brown
annexe IX : logarithm amplifier : 4127, Burr-Brown
annexe X : multiplier : AD534, Analog Device

Amplificateur de différence et instrumentation
L'amplificateur d'instrumention est un amplificateur linéaire de différence, faible bruit
possédant un rapport de réjection en mode commun élevé et des impédances d'entrée
élevées sur les deux voies. Il est possible à priori de réaliser un tel amplificateur à l'aide d'un
amplificateur opérationnel comme le montre la Fig. 1 ci-dessous. Si on considère en effet un
amplificateur opérationnel idéal et des résistances R parfaitement identiques on obtient
effectivement en sortie une tension Vs=V2-V1, ce qui correspond bien au cahier des charges.
V
V
V
+
-
s
2
1
R
R
R
R
Fig. 1 Amplificateur de différence utilisant un amplificateur opérationnel
Deux inconvénients apparaissent de suite :
1) les impédances d'entrées ne sont pas identiques sur les deux voies et elles ne
sont pas très élevées. Sur la voie V2, l'impédance d'entrée est égale à 2R, sur la voie V1 elle
dépend du rapport V2/V1. Il est possible d'obtenir des impédances d'entrée élevées sur les deux
voies en disposant sur chaque entrée un étage adaptateur comme le montre le schéma de la Fig.
2. 2) il faut réaliser des résistances R identiques, ceci est difficile à obtenir s'il s'agit
de composants discrets soudés. Des résistances R légèrement différentes conduisent à
l'introduction d'une tension d'erreur ε, l'amplificateur ne mesure pas uniquement la différence
attendue mais une tension Vs= (V2-V1)+ε.
V
V
V
+
-
s
2
1
R
R
R
R
+
+
-
-
Fig. 2 Amplificateur de différence à impédances d'entrées élevées

L'une des caratéristiques importantes d'un amplificateur d'instrumentation est donc son
aptitude à réjecter la tension d'erreur ε. Nous montrons ci-dessous que l'introduction du
rapport de réjection en mode commun permet d'apprécier l'ordre de grandeur de cette erreur.
Avant de présenter la structure retenue pour la réalisation d'un amplificateur de mesure,
il est bon de rappeler les caractéristiques réelles d'un amplificateur opérationnel, en effet
précédemment nous avons supposer un amplificateur idéal, l'introduction des caractéristiques
réelles contribue également à augmenter l'erreur ε.
L'amplificateur différentiel est à la base de l'amplificateur opérationnel, en effet le
premier étage d'un amplificateur opérationnel est toujours un étage différentiel, c'est pourquoi
nous rappelons brièvement ses caractéristiques.
I- Introduction du rapport de réjection en mode commun d'un amplificateur
Nous montrons ci-dessous que la notion de rapport de réjection en mode commun peut
être introduite dans le cas le plus général sans rien connaître de la structure interne de
l'amplificateur.
Soit donc un amplificateur dont la tension de sortie Vs dépend de deux tensions V1 et
V2, la tension de sortie de cet amplificateur vaut Vs0 quand V1=V10 et V2=V20, cet état
correspond à l'état stationnaire ou encore état de repos.
V
VV
1
2s
amplificateur
Fig. 3 Amplificateur de différence dans le cas général
Donnons aux entrées V1 et V2 les variations v1 et v2, la formule de Taylor permet
d'écrire :
V V vV
VvV Vvetc....
s s0ss
1V V 1s 2V,V2
10 20 10 20
− = = + +
∂
∂∂ ∂
,
Introduisons les gains AV
V et A V V
1s
1V,V2s 2V,V
10 20 10 20
= =
∂
∂∂ ∂, il s'ensuit que la variation vs
prend la forme suivante :
vs=A1v1+A2v2 (1)
Pour mesurer A1, il suffit de faire v2=0 et mesurer le rapport vs/v1, voir Fig. 4, on
procède d'une manière équivalente pour déterminer le gain A2.
Puisqu'il s'agit de fabriquer un amplificateur de différence, c'est à dire d'obtenir un
signal proportionnel à la différence (v1-v2), introduisons les grandeurs suivantes :
* la tension en mode différence : vd = v1-v2
* la tension en mode commun : vc = (v1+v2)/2 (2)
on en déduit donc : v1 = (vd+2vc)/2 et v2 = (2vc-vd)/2.

tt
amplificateur
V
VV
v
10 20
Vs0
vs
Vv1V10
s
1
1Vs
Fig. 4 Mesure du gain A1
En remplaçant v1 et v2 dans l'expression (1) on obtient pour vs :
( ) ( )
v1
2
A A vA A v
s1 2 d 1 2 c
= − + + (3)
On pose généralement :
( )
A1
2
A A : le gain en mode différence
d 1 2
= −
et
(
)
A A A : le gain en mode commun
c1 2
= +
La relation (3) prend alors la forme définitive suivante :
v
A
v
A
v
s
d
d
c
c
=
+
(4)
Dans un amplificateur de différence on cherche évidemment à obtenir Acvc<<Advd.
Pour qualifier un amplificateur quant à son aptitude à réjecter la tension en mode commun, on
introduit une grandeur appelée le rapport de réjection en mode commum (en anglais CMRR
pour Common-Mode Rejection Ratio).
CMRR (en dB) = 20log
A
A
10 d
c
(5)
La tension vs de la relation (4) s'écrit donc :
vAv 1 Av
AvAv 1 1 10 v v
sd d c c
d d d d CMRR(dB)/20 c d
= +
= + (6)
En conclusion, l'erreur de mesure sera d'autant plus grande que :
1) la tension en mode commun vc sera élevée
2) la tension en mode différence vd sera faible
2) le rapport de réjection sera faible
Application numérique : Prenons le cas d'un amplificateur de différence ayant un
CMRR de 60dB, et analysons les deux cas suivants :
1er cas : les tensions v1 et v2 valent respectivement :
v1 =1.0005mV
v2 = 0.9995mV