Choisir et utiliser efficacement des amplificateurs opérationnels de précision

Lors de la conception de systèmes de mise en forme des signaux d'entrée, plutôt que des solutions discrètes, les concepteurs préfèrent généralement utiliser des circuits d'acquisition de données hautement intégrés disponibles à grande échelle pour limiter les coûts, les délais, la taille et la nomenclature. Cependant, dans certaines applications comme les systèmes de test, de mesure et d'instrumentation hautes performances, l'amplificateur opérationnel discret qui communique avec un capteur spécialisé devient un composant frontal essentiel qui nécessite une attention toute particulière.

Cet amplificateur opérationnel de précision à fonction simple est un dispositif spécialisé qui présente un décalage de tension, une dérive de décalage et un courant de polarisation d'entrée extrêmement faibles tout en équilibrant les performances de bande passante, de bruit et de dissipation de puissance.

Les concepteurs qui utilisent ces dispositifs de précision doivent faire face à deux défis de conception : choisir le dispositif le mieux adapté à l'application et exploiter tout son potentiel de performances. Pour relever ce deuxième défi, il convient de bien comprendre le fonctionnement des dispositifs et de les appliquer correctement pour ne pas neutraliser par inadvertance certains de leurs attributs de précision.

Cet article décrit le rôle des amplificateurs opérationnels de précision, leurs nuances et les points à prendre en compte lors de leur utilisation dans une conception. Il utilisera ensuite ces considérations de conception pour montrer comment sélectionner et utiliser efficacement un amplificateur opérationnel de précision à l'aide d'exemples de solutions d'Analog Devices.

Le rôle des amplificateurs opérationnels de précision

L'attrait d'un circuit intégré à grande échelle avec un amplificateur opérationnel potentiellement moins précis réside dans la possibilité de garantir les performances des canaux de capteurs tout simplement en compensant les imperfections de l'amplificateur opérationnel. Cependant, cette méthode prend beaucoup de temps et l'étalonnage précis des capteurs et des entrées des canaux est très difficile, en particulier une fois qu'un système est sur le terrain. Pour mieux comprendre, il est important d'étudier le rôle des amplificateurs opérationnels de précision.

Les amplificateurs opérationnels de précision sont principalement utilisés entre les capteurs (extensomètres, transducteurs piézoélectriques ultrasoniques et photodétecteurs) pour capturer leurs signaux de sortie sans charger la sortie fragile du transducteur. Les amplificateurs opérationnels transmettent ensuite avec précision le signal mis en forme au reste de la chaîne de signaux analogiques, qui se termine généralement par un convertisseur analogique-numérique (CAN). Ils sont également utilisés dans les filtres analogiques, où ils n'entraînent aucune distorsion ni aucun décalage CC du signal visé.

Dans ces applications, les performances de l'amplificateur opérationnel doivent impérativement être linéaires, reproductibles et stables par rapport au temps, à la température et au rail d'alimentation. En outre, dans la plupart des cas, l'amplificateur doit présenter un faible bruit (étant donné la faible amplitude de la sortie du capteur ou de tout autre type de signal analogique), une réponse plate sur le spectre et un balayage rapide avec un dépassement et des oscillations minimum. Dans de nombreux cas, l'application est alimentée par batterie et l'amplificateur opérationnel doit donc consommer le moins possible en mode actif et au repos.

Un amplificateur opérationnel de précision à fonction simple est représenté schématiquement par le symbole d'un amplificateur opérationnel standard (Figure 1). Cependant, cette représentation dissimule la complexité d'un dispositif discret spécialisé.

Figure 1 : Le symbole schématique de l'amplificateur opérationnel de précision est identique à celui de l'amplificateur opérationnel standard, et ne donne aucune indication sur la classe, les performances ou les paramètres de ce dispositif de traitement des signaux d'entrée essentiel. (Source de l'image : Analog Devices)

Les paramètres de performances des amplificateurs opérationnels qui sont souvent des facteurs de deuxième ou de troisième degré pour les applications non centrées sur la précision deviennent des priorités pour les amplificateurs opérationnels de précision. Ces paramètres incluent le bruit, généralement spécifié en microvolts (µV) ou en nanovolts (nV) par racine carrée de hertz (√Hz), la tension de décalage d'entrée et sa dérive, le courant de polarisation d'entrée et sa dérive, ainsi que les facteurs habituels de gain, de bande passante et de vitesse de balayage.

La tension de décalage d'entrée et le courant de polarisation d'entrée méritent davantage d'attention :

La tension de décalage d'entrée est la tension CC qui doit être appliquée entre les deux bornes d'entrée d'un amplificateur opérationnel pour que la sortie soit nulle ou à zéro. La tension de décalage est amplifiée par le gain de l'amplificateur opérationnel et contribue donc aux erreurs de sortie, en fonction du réglage du gain de l'amplificateur opérationnel.

Le courant de polarisation d'entrée est le faible courant qui traverse les connexions d'entrée de l'amplificateur opérationnel pour polariser correctement ses circuits internes. Il peut engendrer un problème d'absence de trajet de retour du courant vers la source du capteur, car les courants de polarisation de l'entrée inverseuse et de l'entrée non inverseuse veulent tous les deux aller dans la même direction, pour entrer dans l'amplificateur opérationnel ou en sortir.

L'autre problème potentiel relatif aux courants de polarisation d'entrée est la génération possible d'une chute de tension indésirable au niveau de la résistance du capteur connecté à l'entrée. Si la résistance est faible (ce qui est souvent le cas), le décalage qui en résulte peut être minime. Si la résistance d'entrée est très élevée, comme celle d'une électrode de sonde de pH qui est de l'ordre de plusieurs mégaohms, cela peut représenter un problème majeur.

La dérive thermique des valeurs de ces paramètres et d'autres paramètres des amplificateurs opérationnels constitue également un problème. Les changements dus à une dérive sont difficiles à corriger. Cependant, il est possible de compenser les erreurs à la température nominale par des ajustements matériels manuels (même s'ils augmentent les coûts et les délais) ou par des corrections logicielles.

De plus, outre la température, l'amplificateur opérationnel peut présenter des variations de performances en raison du vieillissement, qui est un facteur imprévisible. De nombreuses fiches techniques d'amplificateurs opérationnels de précision fournissent des spécifications sur le vieillissement pour les paramètres clés, mais le vieillissement est un processus aléatoire et peut être caractérisé uniquement par des valeurs probables plutôt que par des valeurs définitives.

Quel que soit le scénario, il est assez difficile de mesurer réellement les courants de polarisation et les tensions de décalage d'entrée de ces dispositifs de précision. En outre, l'implémentation de schémas de compensation bénéfiques et efficaces constitue elle aussi un défi. Une meilleure approche consiste à opter uniquement pour un produit doté d'une fiche technique complète avec de nombreux tableaux et graphiques qui caractérisent et définissent tous les aspects de performances pertinents, et qui fournissent des informations d'application.

Tirer pleinement parti d'un amplificateur opérationnel de précision

Chaque implémentation d'un amplificateur opérationnel implique un compromis entre les différents aspects liés à la conception, au traitement, à l'ajustement et au test d'un dispositif réel. En ce qui concerne les amplificateurs opérationnels de précision, les différences subtiles par rapport aux dispositifs standard signifient que le concepteur doit définir les paramètres et les valeurs prioritaires, et attribuer une pondération relative à chacun d'eux.

Prenons l'exemple de deux gammes d'amplificateurs opérationnels de précision d'Analog Devices : les dispositifs à canal simple ADA4805-1 et double ADA4805-2, et les dispositifs à canal double ADA4896-2.

Même si leur fonction de base est similaire, ces dispositifs présentent quelques différences majeures, comme indiqué dans leurs spécifications (Tableau 1). Si la priorité de conception est une basse tension de bruit, l'ADA4896 semble être le meilleur choix, mais il présente un bruit en courant et une tension de décalage d'entrée supérieurs à ceux de la gamme ADA4805. Bien entendu, le choix entre les deux gammes présente d'autres compromis sur des facteurs tels que la puissance, la tension de mode commun et autres.

Tableau 1 : Les gammes d'amplificateurs opérationnels de précision ADA4805 et ADA4896 présentent des différences majeures, notamment en termes de bruit en courant et de tension de décalage d'entrée. (Source des données du tableau : DigiKey Electronics)

La sortie est elle aussi importante

Si les caractéristiques d'entrée et les performances sont des facteurs importants lors de l'évaluation des amplificateurs opérationnels de précision, leur sortie doit également être prise en compte. Les facteurs importants dans cette optique sont la vitesse de balayage et l'excursion de sortie. Par exemple, les dispositifs ADA4805 sont dotés d'un circuit interne d'amélioration de balayage qui augmente la vitesse de balayage lorsque la tension d'erreur de rétroaction augmente. Cela permet une réponse et une stabilisation plus rapides de l'amplificateur à de grandes entrées en échelon (Figure 2).

Figure 2 : Réponse à un échelon de l'ADA4805 pour les tailles d'échelon de sortie sélectionnées. L'ADA4805 est doté d'un circuit interne d'amélioration de balayage qui augmente la vitesse de balayage lorsque la tension d'erreur de rétroaction augmente. Cela permet une réponse et une stabilisation plus rapides de l'amplificateur à de grandes entrées en échelon. (Source de l'image : Analog Devices)

N'oubliez pas que la plupart des signaux de capteur mis en forme par ces amplificateurs opérationnels ne sont pas des entrées en échelon, car ces capteurs sont souvent multiplexés. L'amplificateur opérationnel peut ainsi constater des changements d'échelon lorsque le multiplexeur (mux) change de canal. L'impact de l'amélioration du balayage dans les dispositifs ADA4805 peut également se refléter dans la réponse en fréquences aux grands signaux : les signaux d'entrée plus grands entraînent une légère augmentation de crête (Figure 3).

Figure 3 : La crête des réponses en fréquences de l'ADA4805 dépend du niveau de signal, ici avec un gain de +1. (Source de l'image : Analog Devices)

Lorsque l'amplificateur ADA4805 est mis hors tension, sa sortie passe à un état haute impédance, dans lequel l'impédance diminue à mesure que la fréquence augmente. Les dispositifs ADA4805 fournissent 62 dB d'isolement direct à 100 kilohertz (kHz) en mode d'arrêt (Figure 4).

Figure 4 : L'isolement direct/à l'état bloqué de l'ADA4805 dépend de la fréquence et diminue à mesure que cette dernière augmente. (Source de l'image : Analog Devices)

Un amplificateur opérationnel de précision comme l'ADA4805 peut servir à convertir la sortie intrinsèquement asymétrique d'un capteur en mode différentiel privilégié par la plupart des CAN hautes performances. Ces signaux différentiels sont privilégiés, car ils réduisent le bruit et la distorsion harmonique. Cela illustre un exemple classique de compromis de conception : utiliser un amplificateur différentiel ou configurer deux amplificateurs physiques distincts pour exécuter une conversion asymétrique-différentiel. La première option offre généralement de meilleures performances, mais à un coût supérieur par rapport à la solution à deux amplificateurs.

La gamme ADA4805 résout ce dilemme en combinant les avantages des deux options. Grâce à leur faible distorsion harmonique, à leur basse tension de décalage et à leur faible courant de polarisation, ces dispositifs peuvent produire une sortie différentielle bien adaptée aux performances des CAN haute résolution, et ce, à un coût comparable à celui de la solution d'amplificateur différentiel simple.

Les choses se compliquent un peu en cas de charges capacitives. La capacité au niveau de la sortie d'un amplificateur entraîne une temporisation (déphasage) du trajet de rétroaction qui peut engendrer des vibrations et des oscillations excessives si cela se produit dans la bande passante de la boucle. Par exemple, le rapport entre la réponse et la courbe de gain de l'ADA4896-2 présente une crête maximale à un gain de +2 (Figure 5).

Figure 5 : La réponse en fréquences en petits signaux par rapport au gain de l'ADA4896-2 montre la variation en fonction du gain (où R_L = 1 kΩ ; lorsque G = +1, R_F = 0 Ω ; sinon, R_F = 249 Ω). (Source de l'image : Analog Devices)

La solution standard face à cette crête indésirable consiste à ajouter une résistance d'amortissement à faible valeur en série avec la sortie de l'amplificateur et sa charge capacitive afin de limiter le problème. Une résistance d'amortissement de 100 Ω permet d'éliminer entièrement la crête, mais aux dépens du gain en boucle fermée qui est réduit de 0,8 dB en raison de l'atténuation au niveau de la sortie. La valeur de la résistance d'amortissement peut être ajustée entre 0 Ω et 100 Ω pour offrir un niveau acceptable de crête et de gain en boucle fermée (Figure 6).

Figure 6 : L'utilisation d'une résistance d'amortissement (R_SNUB) au niveau de la sortie permet de réduire la crête pour la réponse en fréquences la plus défavorable de l'ADA4896-2, ici avec un gain de +2. (Source de l'image : Analog Devices)

En utilisant un amplificateur avec un gain sélectionnable, la chaîne de signaux peut accepter une vaste plage de signaux d'entrée possibles. Dans un amplificateur à gain sélectionnable traditionnel, les commutateurs de la boucle de rétroaction se connectent à l'entrée inverseuse. La faible résistance inévitable de ces commutateurs diminue les performances de bruit de l'amplificateur tout en ajoutant une capacité considérable au niveau du nœud de l'entrée inverseuse. Ces deux effets affaiblissent les performances de faible bruit de l'amplificateur opérationnel. En outre, les résistances ajoutent une erreur de gain non linéaire, ce qui compromet les performances de l'amplificateur opérationnel.

Pour éviter cette dégradation, les concepteurs peuvent utiliser une topologie de commutation de gain programmable pour maintenir les performances de bruit de l'ADA4896-2 à 1 nV/Hz, tout en réduisant l'erreur de gain non linéaire (Figure 7). Le fait de choisir des commutateurs à capacité minimale permet également d'optimiser la bande passante du circuit.

Figure 7 : Les deux canaux de l'ADA4896-2 et le commutateur analogique ADG633 peuvent être utilisés pour constituer un amplificateur à gain sélectionnable à faible bruit avec une erreur de gain non linéaire réduite pour commander une charge à faible résistance. (Source de l'image : Analog Devices)

Le courant de polarisation de l'amplificateur d'entrée, bien que minime, peut entraîner un décalage au niveau de la sortie qui varie en fonction du réglage du gain. Cependant, comme l'amplificateur d'entrée et les étages du tampon de sortie de l'ADA4896-2 font partie d'un seul dispositif monolithique, leurs courants de polarisation sont très proches. Cette caractéristique contribue largement à annuler la variation du décalage.

Points à prendre en compte concernant le boîtier et la configuration

Un amplificateur opérationnel de précision est bien plus qu'un circuit conçu avec soin sur une puce à semi-conducteurs. Son conditionnement et le déploiement de ce dernier affectent le bon fonctionnement du dispositif par rapport aux performances indiquées dans la fiche technique dans des conditions « idéales ».

À l'instar des références de tension de précision, le boîtier de l'amplificateur opérationnel est soumis à d'infimes contraintes mécaniques dues au placement et au processus de soudage initial, ainsi qu'à la flexion et aux vibrations normales de la carte de circuit imprimé sur le terrain. La tension qui en résulte peut entraîner des changements mineurs, mais potentiellement importants au niveau des performances du dispositif. Cela s'explique par l'effet piézoélectrique sur le quartz de la puce, ainsi que par d'autres caractéristiques matérielles.

Par conséquent, il est essentiel de vérifier que la carte à circuit imprimé est suffisamment rigide et qu'elle est dotée d'un support supplémentaire si nécessaire. Avant son déploiement, on peut aussi faire subir à la carte un cycle thermique afin d'évacuer les contraintes latentes.

Comme pour de nombreux circuits analogiques, en particulier les modèles de précision, la configuration et la mise à la terre sont des points clés pour la réussite de la conception. Il est essentiel de dériver l'alimentation en montant en parallèle des condensateurs à valeur élevée et des condensateurs à valeur plus faible. En général, la paire de dérivation inclut un condensateur électrolytique de 10 µF en parallèle avec un condensateur céramique de 0,1 µF. Le condensateur qui présente la valeur la plus faible doit être placé du même côté de la carte que l'amplificateur et aussi près que possible de ses broches d'alimentation.

Dispositifs à un seul canal ou à deux canaux

Le choix entre les modèles d'amplificateur opérationnel de précision à un canal et à deux canaux implique des compromis classiques (Figure 8). Par exemple, un dispositif double présente une empreinte de boîtier réduite par fonction, ainsi qu'un espace total réduit, car moins de condensateurs de découplage sont requis.

Figure 8 : Brochage de l'ADA4805-1 dans un boîtier SOT-23 à 6 sorties (à gauche) ; brochage de l'ADA4805-2 dans un boîtier MSOP à 8 sorties (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Cependant, en fonction du schéma du circuit, l'utilisation d'un dispositif double peut nécessiter l'acheminement de pistes de signaux d'entrée de bas niveau sur de plus longues distances, ce qui occupe de l'espace, complique la conception et augmente la capture du bruit. Par conséquent, le choix entre deux dispositifs à un seul canal et un seul dispositif à deux canaux doit être évalué en fonction de la proximité des fonctions respectives de l'amplificateur, de l'empreinte globale du circuit intégré et des dispositifs passifs associés, et des performances électriques, et pas seulement en fonction de la simplification de la nomenclature.

Paradoxe des règles de mise à la terre pour les amplificateurs opérationnels de précision

Les règles de mise à la terre pour les amplificateurs opérationnels de précision sont légèrement contradictoires avec ce que pensent généralement les concepteurs de carte, à savoir qu'il est bon d'avoir plus de surfaces de masse et de plans de masse.

Dans le cas des amplificateurs opérationnels de précision, il est important d'éviter la mise à la terre dans les zones en dessous ou autour de leurs entrées et sorties, car la capacité parasite créée entre le plan de masse et les plots d'entrée et de sortie nuit aux performances haute vitesse de l'amplificateur. La capacité parasite au niveau de l'entrée inverseuse et la capacité d'entrée de l'amplificateur réduisent également la marge de phase et peuvent entraîner une instabilité. Au niveau de la sortie, la capacité parasite crée un pôle dans la boucle de rétroaction, ce qui peut également réduire la marge de phase et entraîner l'instabilité du circuit.

Premiers pas avec les amplificateurs opérationnels de précision

Les cartes d'évaluation proposées par les fournisseurs permettent de découvrir plus facilement les nombreuses subtilités de performances de ces amplificateurs opérationnels. Heureusement, les brochages de la plupart des amplificateurs opérationnels dans un boîtier donné sont largement normalisés au sein du portefeuille d'un fournisseur (et dans l'ensemble du secteur). Il est donc possible d'utiliser une seule carte d'évaluation pour de nombreux modèles d'amplificateurs opérationnels.

Par exemple, l'EVAL-HSAMP-2RMZ-8 d'Analog Devices est une carte d'évaluation nue (sans composants) à six couches pour les amplificateurs à deux canaux en boîtier MSOP à 8 sorties. Ses entrées et sorties sont compatibles avec des connecteurs de carte enfichables SMA, pour une connexion large bande efficace afin de tester un équipement ou d'autres circuits (Figure 9).

Figure 9 : Les entrées et sorties de la carte à circuit imprimé nue à six couches EVAL-HSAMP-2RMZ-8 d'Analog Devices pour l'évaluation d'amplificateurs opérationnels doubles en boîtier MSOP à 8 sorties sont compatibles avec les connecteurs de carte enfichables SMA. (Source de l'image : Analog Devices)

Le plan de masse et le placement des composants de la carte d'évaluation sont conçus pour limiter les capacités et les inductances parasites, ce qui n'est pas clairement visible sur le schéma (Figure 10).

Figure 10 : Schéma de la carte d'évaluation EVAL-HSAMP-2RMZ-8 d'Analog Devices. (Source de l'image : Analog Devices)

Même si le schéma de l'EVAL-HSAMP-2RMZ-8 montre les interconnexions et les allocations d'espace aux composants, il n'indique pas leurs valeurs réelles. Cela s'explique par le fait que la carte n'inclut aucun composant afin de permettre à l'utilisateur d'évaluer les performances avec des valeurs de dispositifs passifs correspondant aux besoins de l'amplificateur opérationnel et de l'application. Les composants recommandés pour la carte d'évaluation ont principalement un format de boîtier 0603 CMS, à l'exception des condensateurs de découplage électrolytiques (C1 et C2), qui ont un format de boîtier 1206.

Conclusion

Les circuits d'acquisition des données hautement intégrés à grande échelle peuvent réduire les coûts, les délais, la taille et la nomenclature. Cependant, certaines applications nécessitent un amplificateur opérationnel de précision discret. Ce dispositif à fonction simple est hautement spécialisé, ce qui complique sa sélection et son implémentation pour exploiter pleinement ses performances.

Toutefois, une bonne compréhension des nombreux facteurs qui entrent en jeu lors de la sélection du dispositif privilégié permet d'accélérer le processus. Une fois l'amplificateur opérationnel de précision sélectionné, ces facteurs doivent être pris en compte afin de bien appliquer le dispositif. Cela évitera de compromettre les performances réelles du dispositif indiquées dans la fiche technique. En outre, les cartes d'évaluation et de bonnes connaissances en termes de placement et de configuration de la carte (des facteurs physiques qui n'apparaissent pas sur les schémas) sont essentielles pour réussir la conception.