Amplificateur de tension à liaisons directes très bas niveau

Amplificateur de tension `a liaisons directes tr`es bas
niveau
J. Max, H. Chevalier
To cite this version:
J. Max, H. Chevalier. Amplificateur de tension `a liaisons directes tr`es bas niveau. J.
Phys. Phys. Appl., 1964, 25 (S6), pp.90-94. <10.1051/jphysap:0196400250609000>.<jpa-
00212963>
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90 A.
AMPLIFICATEUR DE
TENSION
A
LIAISONS
DIRECTES TRÈS
BAS NIVEAU
Par J.
MAX
et
H.
CHEVALIER,
Service
d’Électronique,
Centre
d’Études
Nucléaires
du
C.
E.
A.,
Grenoble.
Résumé.
2014
Le
but de
cet article
est
de
décrire
un
procédé
très
simple permettant
de
transformer
un
galvanomètre
sensible
classique (Ri
=
22
03A9,
sensibilité
15 1020149
A/mm
T
=
2
s)
en
un
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 ;
consommation
pour
toute
la
déviation
0,45
1020149
A.
Abstract.
2014
The
paper
gives
a
description
of
a
very simple
device which
converts
a
classical
galvanometer
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.
LE
JOURNAL DE
PHYSIQUE
SUPPLÉMENT AU
N°
6.
PHYSIQUE APPLIQUÉE
TOME
25,
JUIN
1964,
PAGE
90 A.
1. Introduction.
-
La
mesure
des
tensions conti-
nues
(ou
à
très
basse
fréquence)
de très
faibles
niveaux
(inférieures
au
microvolt)
est
un
problème
délicat
qui
se
pose
fréquemment
dans
les
labora-
toires
(par
exemple,
mesure de différences tem-
pérature).
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
faciles à
mettre
en
oeuvre,
partant
du
fait
que
la
plupart,
sinon la
totalité,
des laboratoires
de
Physique
sont
équipés
en
galva-
nomètres
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
potentiomètre.
Un
tel
dispositif,
outre
sa
complexité
méca-
nique,
est
sujet
aux
limitations
des
systèmes
asser-
vis
mécaniques
du
point
de vue
de la
bande
pas-
sante ;
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
de la
position
du cadre du
galvanomètre
qui
maintient
le
spot
centré
sur la cellule.
Cette
régu-
lation
se
fait
par
injection
d’un courant conve-
nable
dans
le cadre
du
galvanomètre
et
la
méca-
nique
du
dispositif
est
simplifiée
à
l’extrême.
Par
ailleurs,
la
bande
passante
est
accrue
dans
de
grandes
proportions
et
la consommation
très ré-
duite.
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).
2.
Principe
du
montage
utilisé.
-
C’est un
amplificateur
bouclé
(fige
1).
Si
on
désigne
par y
le
gain
de l’ensemble
compa-
FIG.
1.
rateur
+
amplificateur
et
pai p
le
gain
de la
boucle
de
retour,
le
gain
de
l’ensemble est :
,p
étant
très
supérieur
à
1,
ceci
peut
décrire
avec
une
précision
suffisante :
-
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysap:0196400250609000

91 A
J. J,p
n’intervient
que
comme terme
correctif et
en
première
approximation
le
gain
est
égal
à
1/p.
3.
Schéma
théorique
de réalisation.
(fige
2).
-
Le
fonctionnement
apparait
clairement
sur ce
schéma.
Une
tension e
appliquée
à
l’entrée a
ten-
dance
à
faire
dévier
le
cadre du
galvanomètre,
le
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
dépla-
cement
exagéré
du
spot.
4.
Étude et
calcul des
performances possibles. -
Le
schéma
fonctionnel
serait
le
suivant (flg.
3) :
FIG. 3.
4.1.
GAIN.
-
L’amplificateur
électronique
pou-
vant
délivrer £
10 V
(avec
une
marge
de 50
%
de
dépassement
d’échelle),
nous avons
réalisé
des
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 Ps
+
6.
Soit
s,
la
dérive du
comparateur,
on
aura
à
la
sortie
de
cet
élément :
Soit
E2.la
dérive de
l’amplificateur
primaire
à
levier
optique,
on
aura
à
sa sortie :
°
et
soit
enfin -ES
la dérive de
l’amplificateur
élec-
tronique
(cellule
+
ampli)
.
-
-
.. - . - -
.. - . - . -,
. ,
, -
d’où,
en
posant
III P-2
[.La
=
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 :
« étant le
déplacement
angulaire
du
cadre
et de
la
tension,
égale
à
A
l’équilibre,
on
a :
ao
étant
l’origine
choisie
pour
la mesure
de
l’angle
de
rotation,
l’erreur
sera :
Si
on
traduit
cet
angle
en tension
aux
bornes
du
cadre
r"t .... .. /"’1.
Cette
équation
montre
que
la
dérive
prépon-
dérante
est
n’intervenant
qu’au
2e
ordre.

92 A
Tous jeux
mécaniques
étant
rendus
négligeables,
ces
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
-
seul
paramètre
influent
-
est
de
1
-
rad/OC.
.
de 15 X 103
rad/oC.
Avec le
galvanomètre
utilisé, C jB
=
5
X
10-4
Volts/radian
6&#x3E;
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’ampli-
ficateur ;
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 :
Si
donc une
dérive
de
1
volt
prend
naissance
à
la
sortie de
l’ampli
(ce
qui
est
énorme),
elle
corres-
pond
à une
erreur
à
l’entrée
de
0,01
[LV.
4.2.5.
-
Il
est donc
justifié
de dire
que
la
dérive
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 coef-
ficient
de
température,
selon
les
galvanomètres
utilisés,
varie
de
0,01
LV/OC
à
0,06
p.V/oC.
4.3. STABILITÉ DU
GAIN.
-
Le
gain
de
l’ampli-
ficateur
bouclé
est :
Si
avarie:
Supposons,
cas
extrême,
une
variation
de 50
%
du
gain
de
l’amplificateur, dll-/ll-
=
1/2.
Prenons le cas le
plus
défavorable
du
gain
10B
Soit p
=
10-6
.
Donc,
en ce
cas
extrême,
le
gain
reste
stable à
0,5%.
z
Dans les autres
cas,
le
gain
sera
stable à
mieux
que
0,1
%.
4.4. DÉRIVE
EN TEMPÉRATURE. -
Si
on
se
rap-
porte
à
la
figure
2,
on
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,
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
sou-
dure
qui
ne
sert
qu’à
consolider la
connexion.
La
dérive
en
température de
peut
être
très
faible
si on
prend
les mêmes
précautions,
et
fina-
lement
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
0,3
x
15
x
10-9
=
0,45
X
10-9
Ampères,
soit
0,45
millimicroampère.
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
assimi-
lables
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
pas-
sante
assez
réduite de
l’ensemble,
le
bruit
mesuré
reste
inférieur
à
cette
valeur.
7.
Problèmes
de
stabilité.
-
Le
compa-
rateur
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 contre-
réaction 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
dimi-
nue,
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.
8.
Bande
passante.
-
Dans ces
conditions,
la
bande
passante
(à
0,5 dB)
est
de
9.
Puissance
de
sortie.
-
Étant
donné le
prin-
cipe
même
de
l’appareil,
elle
ne
dépend que
de
l’amplificateur
électronique
et
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
photo-
résistante
différentielle
se
monte
très
facilement
avec
son
support
et
sa
lentille
plan
cylindrique.
FIG.
5.
- 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8 :
fiche multibroche
femelle Radio -
Air -
Socapex
FFD
210
AO 2013 10
broches.
11.
Alimentations.
-
Étant
donné
les
larges
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
à
la
sortie)
avec un
débit
de 1
Ampère ;
pour
l’am-
plificateur électronique
et la
cellule,