Mouser: Les ampli-ops à faible consommation conviennent parfaitement aux applications IIoT fonctionnant sur batterie
Les amplificateurs opérationnels (abrégés en ampli-ops) existent depuis plus de quatre-vingts ans et tirent leur origine des premiers ordinateurs analogiques.
Figure 1 - Schéma interne de l’ampli-op à usage général multi-étage UA741CD de STMicroelectronics (source : ST).
Ils sont encore présentés dans les cours d’ingénierie électronique comme un composant analogique fondamental que les ingénieurs peuvent utiliser dans de nombreuses applications. Ces dispositifs d’entrée analogiques, à gain élevé et différentiels sont incroyablement polyvalents et existent dans un large éventail de spécifications.
Cet article revient sur les aspects pratiques des amplificateurs opérationnels, explique certains paramètres techniques cruciaux et illustre certaines applications potentielles dans lesquelles les ampli-ops jouent un rôle important.
Le modeste amplificateur opérationnel
La première mention du terme amplificateur opérationnel remonte au début des années 1940 lorsque l’amplificateur à gain de tension élevé et couplé CC utilisait des tubes thermoïoniques (à vide). Les premiers ampli-ops ont été rapidement intégrés dans une large palette d’applications, des radars aux ordinateurs analogiques, et leur polyvalence n’a cessé de croître. Aujourd’hui, les ampli-ops sont au cœur de pratiquement tous les appareils électroniques, des montres de fitness grand public aux robots industriels en passant par les véhicules autonomes et les satellites de communication.
L’un des ampli-ops les plus populaires, un dispositif encore produit aujourd’hui, est le 741. Même s’il ne s’agit pas du premier ampli-op monolithique à semiconducteur construit sur un circuit intégré – puisque ce titre revient au Fairchild 702 – le Fairchild µA741 est rapidement devenu l’ampli-op indispensable à intégrer dans chaque conception. Lancé en 1968, le 741 est disponible dans des boîtiers compatibles au niveau du brochage de nombreux fournisseurs comme STMicroelectronics et Texas Instruments.
Généralement, un ampli-op comporte une sortie à une extrémité et des entrées différentielles non inverseur et inverseur. Lors d’une utilisation en tant qu’amplificateur à boucle ouverte, les caractéristiques de gain élevé de l’amplificateur créent une sortie plusieurs milliers de fois supérieure à la différence de potentiel entre les entrées. Souvent, un ampli-op est utilisé dans une configuration en boucle fermée - voir la figure 2 - avec une rétroaction négative pour limiter et contrôler le gain en fonction de l’application. La tension de sortie d’un ampli-op, malgré les spécifications de gain, est limitée par les niveaux des rails d’alimentation.
Figure 2 - Une configuration d’ampli-op non inverseur en boucle fermée avec une rétroaction négative fournie par R2 (source : Mouser)
Le gain de l’amplificateur non inverseur est illustré sur la figure 2 avec la tension de sortie Vout déterminée par l’échelle de résistance créée par R1 et R2.
Les configurations d’ampli-op incluent des amplificateurs différentiels, des suiveurs de tension, des différentiateurs ou encore des intégrateurs. Adaptées à diverses applications, les fonctionnalités incluent traditionnellement les filtres actifs, les convertisseurs de niveau, la mise en mémoire tampon, le conditionnement des signaux, l’amplification de petits signaux (CA/CC) et les générateurs fonctionnels. En résumé, l’ampli-op est un composant idéal pour pratiquement tous les dispositifs.
Afin de mieux comprendre le fonctionnement d’un ampli-op, voici les caractéristiques qu’un appareil idéal doit comporter :
- Un gain en tension différentiel infini - la tension de sortie est déterminée seulement par la tension d’entrée et le circuit de rétroaction
- Une résistance d’entrée infinie - cela permet qu’aucun courant ne passe dans aucune entrée
- La résistance de sortie est nulle - la charge, en revanche, n’a aucun impact sur les performances de l’amplificateur
- La bande passante est infinie - elle répond ainsi aux besoins en CC de n’importe quelle fréquence sans changement sur la phase ou le gain
- La sortie est nulle lorsque l’entrée différentielle est nulle
Une infographie utile expliquant les bases des ampli-ops et certaines configurations de circuit populaires est téléchargeable sur la page Mouser suivante : https://emea.info.mouser.com/opamp-reference?pid=Mouser&cid=TW
Les ampli-ops en pratique
Même si, pour acquérir les connaissances théoriques basiques sur le fonctionnement d’un amplificateur opérationnel, des caractéristiques idéales d’appareil sont utiles, en réalité, tous les amplificateurs opérationnels présentent des attributs que les ingénieurs doivent parfaitement comprendre.
Cette section de l’article explique brièvement certains des paramètres clés que vous trouverez sur une fiche technique d’ampli-op. En fonction du type d’application, certains de ces critères pourraient directement influencer le fait de choisir tel ou tel appareil.
Tension de décalage d’entrée : la sortie devrait être nulle lorsque l’entrée différentielle est nulle dans un ampli-op idéal. Néanmoins, du fait de légères différences durant la fabrication de l’appareil, certaines grilles de transistor affichent des différences minuscules. La tension de décalage d’entrée est la tension devant être appliquée aux entrées différentielles pour créer une tension de sortie nulle (Vio). Les valeurs typiques de la Vio varient considérablement, de quelques dizaines d’µV à des centaines de mV. La Vio peut représenter une proportion significative lors de la mesure de tensions d’entrée très faibles, ce qui entraîne une tension de sortie erronée.
Courant de polarisation d’entrée : il s’agit du courant indésirable passant dans les entrées différentielles. Il est habituellement causé par des courants de fuite et varie en fonction de la technologie de traitement. Il peut également résulter des composants de polarisation utilisés autour des entrées. Si un courant de polarisation d’entrée (Iib) peut être très faible – de l’ordre de quelques pA ou nA – une réduction notable de la tension peut survenir dans les circuits d’entrée à impédance élevée au point d’influer sur la sortie.
Produit gain/bande passante : cette notion illustre les performances d’un ampli-op dans une plage de fréquences en montrant typiquement une réduction graduelle du gain à mesure que la fréquence augmente. Elle indique la fréquence à laquelle le gain s’abaisse de 20 dB.
Entrées rail à rail : un ampli-op avec des entrées rail à rail peut gérer les tensions d’entrée comprises entre +Vcc et -Vcc.
Sorties rail à rail : la tension de sortie de l’ampli-op peut aller de +Vcc à -Vcc.
Vitesse de balayage : la vitesse de balayage détermine la rapidité avec laquelle la sortie de l’ampli-op peut changer par rapport au signal d’entrée. Dans les applications à haute fréquence, la vitesse de balayage est cruciale car si la sortie ne peut pas gérer la vitesse des changements d’entrée, l’intégrité des signaux est compromise, ce qui entraîne une distorsion. Cette vitesse est mesurée en mV/s tandis que la tension de sortie oscille entre 10 et 90 % de la valeur de pic - voir la figure 3.
Figure 3 - mesure de la vitesse de balayage d’un ampli op avec des changements des signaux de sortie (source : TI)
Capacité d’entrée : la capacité d’entrée d’un ampli-op peut avoir un impact sur les performances à mesure que la fréquence des signaux d’entrée augmente. Pour une application telle que la mesure de tension de batterie, ce facteur sera de moindre importance mais pour des usages comme le filtrage actif des signaux à ultrasons, par exemple, il s’avère crucial.
Niveau de bruit : comme de nombreux composants, les amplis-op présentent plusieurs sources de bruit capables de déclencher du bruit, comme le bruit thermique et le bruit en 1/f, dans le signal de sortie lorsqu’aucune entrée n’existe. Il est recommandé d’opter pour un ampli-op à faible bruit pour les cas d’utilisation à gain élevé et à large bande passante.
Zéro dérive : l’impact de facteurs comme la tension de décalage d’entrée, abordée ci-dessus, varie avec l’heure et la température. Un ampli-op sans dérive utilise l’approche de « coupe » ou de « permutation d’entrée » pour neutraliser ces influences.
Consommation de courant : cet aspect est de plus en plus une priorité pour de nombreuses applications, non seulement pour maximiser l’efficacité énergétique mais aussi pour prolonger la durée de vie des batteries, notamment pour les capteurs IoT/IIoT. Les ampli-ops ont des spécifications de puissance beaucoup plus faibles que d’autres dispositifs à circuits intégrés, tels que les microcontrôleurs. Cependant, il existe des ampli-ops spéciaux à faible consommation, avec des courants de fonctionnement de seulement 900 nA par entrée, et qui s’avèrent idéaux pour les applications fonctionnant sur batterie.
Présentation d’ampli-ops
Les fournisseurs de semiconducteurs optimisent habituellement leur gamme d’ampli-ops en plusieurs catégories en fonction des spécifications des appareils. ST, par exemple, les classe dans les catégories suivantes : faible consommation, faible tension de décalage d’entrée, haute tension, précision, rail à rail et haute vitesse. Analog Devices a adopté une approche similaire en identifiant les produits adaptés à des applications spécifiques.
La gamme ST TSZ121 est un exemple d’ampli-op de précision sans dérive avec un décalage d’entrée faible. Existant en différentes configurations de boîtier – simple, double et quadruple, la TSZ121 est une gamme d’ampli-ops d’entrée et de sortie rail à rail. Ces derniers peuvent fonctionner avec une alimentation CC comprise entre 1,8 V et 5,5 V, disposent d’un profil à faible consommation de max. 40 µA (à 5 V) et affichent une tension de décalage typique de 5 µV (à 25 °C). La gamme est idéale pour les applications portables fonctionnant sur batterie, les circuits de conditionnement des signaux et les instruments médicaux.
La figure 4 illustre l’utilisation du TSZ121 dans le circuit de mesure de courant d’un appareil fonctionnant sur batterie.
Figure 4 - un exemple d’utilisation d’un ampli-op de précision ST TSZ121 pour la mesure de courant dans un appareil portable soulignant l’importance de choisir un ampli-op avec une tension de décalage d’entrée faible (source : ST)
Une résistance shunt de précision de 8 mΩ est placée en série avec la charge de batterie. Un courant de 100 mA passe à travers la résistance shunt, ce qui génère une tension de 800 µV qui est appliquée à des entrées différentielles via deux résistances de 10 Ω. La configuration de l’ampli-op a un gain de 1 000 ce qui donne une tension de 0,8 V à la sortie. Toutefois, en pratique, avec une tension de décalage d’entrée de 5 µV, la tension réelle mesurée à la sortie sera 0,805 V. Ce scénario illustre l’importance de la tension de décalage d’entrée sur une mesure. Si, par exemple, un ampli-op avec une tension de décalage d’entrée de 200 µV a été choisi, une erreur de mesure beaucoup plus élevée surviendrait.
ST propose une carte de prototypage côté bas permettant d’accélérer une conception sur la base du TSZ121. La STEVAL-ISQ014V1 intègre une résistance shunt de 30 mΩ. Par ailleurs, pour aider les ingénieurs à développer et simuler des circuits basés sur un ampli-op, la ST eDesignSuite propose une méthode rapide et pratique de sélection et de prototypage d’une conception - voir figure 5.
Figure 5 - ST eDesignSuite présentant une conception de mesure du courant utilisant l’ampli-op ST TSZ121 (source : ST)
Les circuits de filtre actif sont une autre application répandue des ampli-ops. La figure 6 illustre le design d’un filtre à bande passante utilisant l’Analog Design Filter Wizard.
Figure 6 - le design d’un filtre à bande passante utilisant l’Analog Design Filter Wizard (source : Analog Devices)
Les paramètres de filtre désirés sont une fréquence centrale de 800 Hz et une bande passante 3 dB de 300 Hz. Vous pouvez rapidement ajuster les paramètres de filtre pour obtenir la bande passante souhaitée. La prochaine étape consiste à sélectionner les composants - voir la figure 7. Vous pouvez accepter les suggestions de l’assistant ou choisir manuellement un ampli-op parmi la gamme d’Analog Devices.
Figure 7 - Schéma d’un circuit du filtre de bande passante avec un ampli-op à faible consommation ADA4062 sélectionné pour la première étape (source : Analog Devices)
L’ADA4062 d’Analog Devices a une vitesse de balayage de 3,3 V/µs, un faible courant de polarisation d’entrée de 50 pA et une tension de décalage d’entrée de 500 µV. L’ampli-op peut fonctionner sur des rails de ±5 V à ± 15 V et affiche une consommation d’énergie typique de 165 µA.
Pourquoi ne pas intégrer un ampli-op à votre prochaine conception ?
Les ampli-ops ont un rôle considérable à jouer dans les applications fonctionnant sur batterie. Leurs spécifications de courant ultra-faible leur permettent de toujours effectuer une mesure ou un traitement de signal sans avoir d’impact significatif sur la durée de vie de la batterie. Ces appareils flexibles trouvent leur place dans n’importe quelle conception.
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