Amplificateur de tension à liaisons directes très bas niveau

Amplificateur de tension à liaisons directes très bas
niveau
J. Max, H. Chevalier
To cite this version:
J. Max, H. Chevalier. Amplificateur de tension à liaisons directes très bas niveau. J.
Phys. Phys. Appl., 1964, 25 (S6), pp.90-94. <10.1051/jphysap:0196400250609000>. <jpa00212963>
HAL Id: jpa-00212963
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00212963
Submitted on 1 Jan 1964
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d’enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.
LE
JOURNAL DE
PHYSIQUE
SUPPLÉMENT
PHYSIQUE
APPLIQUÉE
TOME
25,
JUIN
N° 6.
AU
1964,
PAGE
90 A.
AMPLIFICATEUR DE TENSION A LIAISONS DIRECTES TRÈS BAS NIVEAU
Par J. MAX et H.
Service
Résumé.
d’Électronique,
Centre
CHEVALIER,
d’Études Nucléaires du
C. E.
A., Grenoble.
Le but de cet article est de décrire un procédé très simple permettant
22 03A9, sensibilité 15 1020149 A/mm T
galvanomètre sensible classique (Ri
amplificateurde tensions continues très hautes performances :
gain de 106 à 103 ;
bande passante de 6 à 20 Hz ;
sensibilité 0,01 03BCV ;
dérive
0,01 03BCV ;
2014
un
=
consommation pour toute la déviation 0,45
Abstract.
2014
galvanometer
de transformer
=
-
potentiomètre.
Un tel dispositif, outre sa complexité mécanique, est sujet aux limitations des systèmes asservis mécaniques du point de vue de la bande passante ; de plus, sa sensibilité et sa consommation
sont celles du galvanomètre.
Dans l’amplificateur décrit ici, la cellule n’est
plus mobile, mais fixe et on réalise une régulation
s)
a
classical
en un
1020149 A.
The paper gives a description of a very simple device which converts
into a direct coupled amplifier with a very high performance.
gain 106 to 103
band pass 6 to 20 cps (at 1 %)
sensitivity 1020148 volts
drift
1020148 volts for 48 hours.
1. Introduction.
La mesure des tensions continues (ou à très basse fréquence) de très faibles
niveaux (inférieures au microvolt) est un problème
délicat qui se pose fréquemment dans les laboratoires (par exemple, mesure de différences température). Ce problème est très difficile à résoudre
à l’aide de moyens purement électroniques ;
ceci est dû aux dérives et aux bruits de
fond des éléments électroniques actifs utilisés.
Nous avons donc tenté de le résoudre par des
moyens simples et facilesà mettre en oeuvre,
partant du fait que la plupart, sinon la totalité,
des laboratoires de Physique sont équipés en galvanomètres sensibles. Nous avons donc utilisé un tel
galvanomètre comme élément de base.
L’utilisation la plus courante du galvanomètre
en ce sens est le suiveur de spot ; rappelons en
brièvement le principe : la tension à mesurer est
injectée aux bornes d’un galvanomètre à miroir ;
ce miroir, éclairé convenablement, projette un spot
sur une cellule photorésistive différentielle ; cette
cellule est introduite dans un amplificateur qui
délivre une tension d’erreur fonction de la position
du spot sur la cellule. Cette tension d’erreur est
utilisée pour commander un moteur qui déplace la
cellule jusqu’à annuler la tension d’erreur.
Au dispositif mobile est lié soit un stylet pour
enregistrement graphique, soit le curseur d’un
2
de la position du cadre du galvanomètre qui
maintient le spot centré sur la cellule. Cette régulation se fait par injection d’un courant convenable dans le cadre du galvanomètre et la mécanique du dispositif est simplifiée à l’extrême. Par
ailleurs, la bande passante est accrue dans de
grandes proportions et la consommation très réduite.
Il convient de noter que cette idée a été souvent
utilisée par des chercheurs (en particulier par
MM. Grivet et Sauzade, R. G. E., juin1961).
Principe du montage utilisé.
amplificateur bouclé (fige 1).
2.
Si
on
désigne par
y le
-
C’est
gain de l’ensemble
un
compa-
FIG. 1.
rateur
+
amplificateur et pai p le gain de la boucle
gain de l’ensemble est :
de retour, le
,p
étant très
une
précision
à
suffisante :
supérieur
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysap:0196400250609000
1,
ceci
peut décrire
avec
-
91 A
J. J,p n’intervient que comme terme correctif et
première approximation le gain est égal à 1/p.
en
3. Schéma théorique de réalisation. (fige 2).
Le fonctionnement apparait clairement sur ce
schéma. Une tension e appliquée à l’entrée a tendance à faire dévier le cadre du galvanomètre, le
gains de 10B 10B 101, 10B ce qui correspond à des
pleines échelles de 10 [LV, 100 [JwV, 1 mV, 10 mV.
4.2. DÉRIVES.
-
-
Soit a la dérive de la boucle de
retour. On a à la sortie de cet élément
Soit s, la dérive du comparateur,
sortie de cet élément :
Ps + 6.
Soit E2.la dérive de l’amplificateur
levier optique, on aura à sa sortie :
et soit
enfin -ES
la dérive de
à la
on aura
primaire
l’amplificateur
élec-
tronique (cellule + ampli)
-
d’où,
en
- ..
posant
-
.
-
- ..
III P-2 [.La
-
à
°
.
.
=
-
.
.
-,
,
,
-
nez
On voit donc que les dérives sont par ordre
d’influence décroissante
4.2.1. Dérive de la boucle de retour.
Celle-ci
étant entièrement passive, on peut admettre qu’il
n’y a pas de dérive (les effets de température sur la
boucle de retour seront étudiés plus loin ; ce sont
en fait des f. e. m. de contact ou thermoélectrique).
4.2.2. Dérive du comparateur.
Cette dérive
ramenée à l’entrée est elfp.,. Le comparateur est
un galvanomètre, l’équation du mouvement de
l’équipage mobile peut s’écrire :
-
FIG. 2.
-
déplacement du spot sur la cellule crée une tension
à la sortie de l’amplificateur, une partie de cette
tension est réinjectée en opposition de phase dans
le galvanomètre. Le coefficient 03B2 de la boucle de
retour est égal à Z2/(Z¡ + Z2). Le contact de
relais R sert à court-circuiter (et donc à protéger)
le cadre du galvanomètre en cas de surcharge de
celui-ci, la surcharge se traduisant par un déplacement exagéré du spot.
étant le
déplacement angulaire
tension, égale à
«
A l’équilibre,
du cadre et de la
on a :
4. Étude et calcul des performances possibles. Le schéma fonctionnel serait le
suivant (flg. 3) :
l’origine choisie pour la
rotation, l’erreur sera :
ao étant
de
Si on traduit cet
cadre
r"t
angle
en
mesure
tension
....
aux
..
de
l’angle
bornes du
/"’1.
FIG. 3.
4.1. GAIN.
L’amplificateur électronique pouvant délivrer £ 10 V (avec une marge de 50 % de
dépassement d’échelle), nous avons réalisé des
-
Cette équation montre que la dérive
dérante est
n’intervenant
qu’au
prépon-
2e ordre.
92 A
Tous jeux mécaniques étant rendus négligeables,
qui est aisé puisqu’il n’y a aucune pièce en
mouvement hormis le cadre du galvanomètre, la
dérive de zéro est celle qui provient de la variation
de la position de repos du cadre, due aux variations
de caractéristiques de la suspension. D’après les
notes du constructeur, cette dérive, sous l’effet de
la température
est
seul paramètre influent
ces
-
-
.
1
rad/OC.
rad/oC.
de 15 X 103galvanomètre
utilisé, C jB
de
-
Avec le
=
5 X 10-4
Volts/radian
Supposons, cas extrême, une variation de 50 %
du gain de l’amplificateur, dll-/ll1/2.
Prenons le cas le plus défavorable du gain 10B
Soit p 10-6
=
=
Donc,
0,5%.
.
en ce cas
le
extrême,
gain
reste stable à
z
Dans les autres cas, le
que 0,1 %.
4.4. DÉRIVE
gain
sera
stable à mieux
TEMPÉRATURE. - Si on se rapon voit que les points où ces
effets seront importants sont les points à bas
niveau, c’est-à-dire les points de connexion dans le
circuit du galvanomètre, soit les points A,, A2,
EN
porte à la figure 2,
6>
Donc cette dérive est assimilable à un effet de
température et non à une dérive erratique.
4.2.3. Dérive de l’amplificateur optique.
Cet
amplificateur étant réalisé à l’aide d’un jeu de
miroirs fixes, on peut admettre que cette dérive
est nulle
-
La seule dérive erratique possible est celle de la
partie électronique.
4.2.4. Dérive de l’amplificateur électronique et de
la cellule photorésistante associée.
Cette dérive E3
ramenée à l’entrée est E3/1[.LB. Calculons le gain de
l’amplificateur en boucle ouverte. Une variation de
position du spot sur la cellule de 0,3 mm environ
donne une tension de 10 volts à la sortie de l’amplificateur ; avec le galvanomètre utilisé (sensibilité
15 X 10-9 A/mm et Ri
22 Q) cela correspond
à 0,1 [.LV de tension aux bornes, d’où le gain en
-
=
boucle ouverte :
Bl, B2, CI, C2.
Les f. e. m. de contact peuvent être rendues très
faibles et inférieures à 0,01 t-L V globalement.
Pour réduire les effets thermoélectriques, il faut
prendre soin de faire en ces points de très bons
contacts CU/CU, et pour cela éviter de faire des
contacts par soudure qui n’assurent pas le contact
direct. Il suffit donc d’entortiller les fils de cuivre
l’un sur l’autre, de serrer, et de faire alors la soudure qui ne sert qu’à consolider la connexion.
La dérive en température de peut être très
faible si on prend les mêmes précautions, et finalement le coefficient de température global, compte
tenu de l’effet de la suspension du cadre (4.2.2),
reste inférieur à 0,05 l-L V fOC ramené à l’entrée.
5. Consommation.
La pleine échelle étant
obtenue pour environ 0,3 mm de déviation du spot,
la consommation est de
--
Si donc une dérive de 1 volt prend naissance à
la sortie de l’ampli (ce qui est énorme), elle correspond à une erreur à l’entrée de 0,01 [LV.
Il est donc justifié de dire que la dérive
4.2.5.
à long terme est inférieure à 10-11 volts.
4.2.6.
En fait, il a été impossible de mettre
en évidence une dérive à long terme, et le coefficient de température, selon les galvanomètres
utilisés, varie de 0,01 LV/OC à 0,06 p.V/oC.
0,3
soit
x
15 x 10-9
=
0,45
X
10-9
Ampères,
0,45 millimicroampère.
-
-
4.3. STABILITÉ DU
ficateur bouclé est :
Si
avarie:
GAIN.
-
Le
gain
de
l’ampli-
6. Bruit de fond.
De même que pour la dérive,
seul intervient le bruit de fond du comparateur,
c’est-à-dire celui du galvanomètre. Avec le type de
galvanomètre utilisé, ces fluctuations sont assimilables à un courant équivalent de l’ordre de
0,5 X 10-10¡V’T, r étant la résistance critique
et T la période.
Avec les caractéristiques du galvanomètre utilisé,
le calcul donne un courant moyen de 0,5 X 10-12
Ampère, ce qui correspond à environ 0,1 % de la
pleine échelle. En fait, étant donné la bande passante assez réduite de l’ensemble, le bruit mesuré
reste inférieur à cette valeur.
-
7. Problèmes de stabilité.
Le comparateur a une fonction de transfert de la forme
KKl/(1 + AP + BP2)@ la cellule a une fonction de
transfert de la forme K2/(1 + TP). Si nous négli-
93 A
geons la
fréquence de coupure de l’amplificateur
électronique (celle de l’amplificateur optique étant
évidemment négligeable), on voit que la fonction
de transfert de la boucle ouverte sera du troisième
ordre en P au dénominateur.
On sait que dans un tel système la contreréaction ne peut dépasser un certain taux sous
peine d’accrochage. C’est effectivement ce que l’on
constate, et si p augmente au delà d’une certaine
limite, c’est-à-dire si le gain en boucle fermée diminue, des oscillations apparaissent. Ceci dans le cas
où la boucle de retour p est réalisée à l’aide d’un
pont de résistances.
Le calcul montre que pour que la stabilité soit
assurée, il faut que p ne dépasse pas 10-6, ce qui
correspond à un gain de 106.
Pour assurer la stabilité dans les autres cas,
nous avons voulu éviter de faire appel à des réseaux
compliqués.
Un simple réseau
avance de phase combiné avec
la boucle de retour (fig. 4) suffit à assurer une
bonne stabilité pour les gains 10e, 101 et 103.
FIG. 5.
- 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8 :
-
dB)
9. Puissance de sortie.
Dans ces
est de
-
conditions,
la
Étant donné le prin-
cipe même de l’appareil, elle
l’amplificateur électronique et
ne dépend que de
de ce fait peut être
ce que l’on désire. Dans la réalisation décrite ici
elle a été limitée à 0,2 W, ce qui suffit amplement à
l’entraînement d’un enregistreur graphique galva-
nométrique.
10. Amplificateur électronique et indicateur de
saturation.
Son rôle est d’une part d’amplifier la
tension de déséquilibre obtenue à partir de la
cellule photorésistante différentielle, d’autre part
de déclencher la fermeture du contact du relais en
cas de dépassement d’échelle. Le schéma de cet
ensemble est donné sur la figure 5.
Le galvanomètre utilisé est un TS4VAD Sefram,
mais ceci n’est pas impératif. Toute l’électronique
est logée à l’intérieur du boitier du galvanomètre
comme le montre la figure n° 6. La cellule photorésistante différentielle se monte très facilement
avec son support et sa lentille plan cylindrique.
-
fiche multibroche femelle Radio - Air -
Étant donné les larges
11. Alimentations.
tolérances sur les dérives des amplificateurs élem
troniques, aucune alimentation stabilisée n’est
nécessaire. Pour l’ampoule qui éclaire le miroir :
4 à 6 volts continu (bien filtré pour éviter le 50 Hz
-
8. Bande passante.
bande passante (à 0,5
à la
sortie)
plificateur
Socapex
FFD 210 AO 2013 10 broches.
débit de 1 Ampère
électronique et la cellule,
avec un
; pour l’am-
94 A
sortie osciller autour de zéro (ces oscillations étant
dues aux légères vibrations que l’on peut apporter
à l’ensemble, et au fait que l’entrée ouverte, la
boucle est ouverte et le gain de 108).
12.3.
En cas de dépassement d’échelle, un
contact supplémentaire de relais sert à allumer un
voyant lumineux qui indique qu’il y a dépassement
d’échelle (le dépassement peut atteindre 50 % de
la pleine échelle sans affecter la linéarité).
12.4.
Lorsqu’on utilise l’appareil avec son
le
gain
plus élevé, il est préférable de laisser la
température se stabiliser pendant une heure après
la mise sous tension, et il est préférable de placer
l’appareil à l’abri des variations brusques de tempé-
-
rature.
13. Conclusion.
L’appareil qui a été réalisé à
plusieurs exemplaires peut servir chaque fois que
l’on a à mesurer et à enregistrer des tensions continues très faibles ; étant donné le niveau et la puissance de sortie, on peut commander à partir de cet
appareil n’importe quel enregistreur analogique ou
numérique.
-
Dans le
l’ordre du
Flc. 6.
12. Réglages.
Ceux-ci sont très simples :
12.1. - A la mise sous tension, il faut tout
d’abord vérifier le réglage du spot, comme sur un
-
galvanomètre classique.
12.2.
Le réglage de
zéro se fait entrée ouverte
court-circuitée. Dans ces conditions, on règle
la position du spot*de-manière à voir la tension de
-
et
non
cas
où l’on
a
à
mesurer
des tensions de
microvolt, cet amplificateur présente par
aux
rapport
appareils tout électroniques l’avantage
d’une dérive indécelable.
Par ailleurs, sa simplicité de réalisation et son
faible prix de revient en permettent la réalisation
rapide chaque fois que cela paraît nécessaire.
Nous adressons nos remerciements à M. Michel
Piotti, stagiaire D. E. S. T., qui nous a apporté une
aide très précieuse pour la réalisation et les essais
de cet appareil.
Manuscrit reçu le 19
juillet
1963.