Pourquoi de nouveaux amplificateurs opérationnels sont nécessaires alors que de nombreux dispositifs de qualité sont déjà disponibles

Il est difficile de déterminer combien d'amplificateurs opérationnels distincts sont proposés par les dizaines de fabricants, mais leur nombre se chiffre en milliers. Et cela sans compter les amplificateurs opérationnels qui sont des variantes d'un modèle de base, mais qui présentent des spécifications, des classes de température ou des conditionnements légèrement différents.

Ces composants analogiques de base, modestes mais polyvalents, assurent des fonctions essentielles dans les circuits d'entrée analogique (AFE) de traitement des signaux, les filtres et les interfaces de capteurs. La liste des fonctions de circuit requises a toujours été longue, et elle ne cesse de s'allonger en raison des exigences de l'intelligence artificielle (IA) en périphérie, des contrôleurs intelligents et d'innombrables autres applications qui nécessitent que les systèmes interagissent avec le monde réel.

Compte tenu de tous les amplificateurs opérationnels déjà présents sur le marché, allant des modèles de milieu de gamme aux spécifications « suffisantes » jusqu'aux dispositifs de précision exceptionnels et hautes performances, il est tentant de supposer qu'il n'y a guère besoin de nouveaux modèles. Cependant, les lancements récents démontrent une fois de plus le caractère naïf de cette hypothèse.

Les derniers amplificateurs opérationnels innovants offrent une dérive extrêmement faible

J'ai vu des dizaines de nouveaux amplificateurs opérationnels de grands et moyens fournisseurs au cours de l'année écoulée. Si certains sont très spécifiques à des applications, comme les conceptions haute tension ou l'isolation galvanique, la plupart sont assez standard tout en excellant dans certaines spécifications.

Prenons l'exemple de ces trois amplificateurs opérationnels récemment lancés, qui offrent une dérive extrêmement faible :

• Le MAX74810ARMZ-RL d'Analog Devices, un amplificateur opérationnel à dérive nulle, stabilisé par découpage, basse consommation, à deux canaux, doté d'entrées à détection de masse et de sorties rail-à-rail, optimisé pour une précision totale dans le temps, en fonction de la température et des conditions de tension
• Le TSZ901IYLT de STMicroelectronics, un amplificateur opérationnel qualifié AEC-Q100 (issu de la gamme TSZ d'amplificateurs opérationnels ultra-précis de la société) qui offre une dérive quasi nulle et un décalage ultrafaible, deux caractéristiques essentielles pour la mise en forme des signaux de capteurs hautes performances
• Le TLV4888PWR de Texas Instruments, un amplificateur opérationnel de précision CMOS de 36 V, 14 MHz, stabilisé par découpage, à dérive nulle, à quatre canaux et compatible avec les multiplexeurs

Le dilemme parallèle des fournisseurs et des concepteurs

Les fournisseurs et les utilisateurs de ces composants omniprésents ont des sentiments mitigés à l'égard des anciens amplificateurs opérationnels. Les fournisseurs souhaitent continuer à fabriquer les anciens modèles, qui offrent des marges élevées ainsi que des processus de fabrication et de test prévisibles, tandis que les utilisateurs les apprécient pour leurs performances éprouvées et leurs subtilités. Dans le même temps, les uns comme les autres souhaitent bénéficier des avantages potentiels des nouveaux produits, notamment une fidélisation immédiate et à long terme (pour les fournisseurs) et des performances supérieures (pour les utilisateurs).

Bien que les amplificateurs opérationnels soient des blocs fonctionnellement simples, ils présentent de nombreux paramètres importants et souvent subtils. Si les tests requis et l'analyse des données qui s'ensuit sont hautement automatisés, leur lancement, leur réalisation et leur documentation nécessitent néanmoins un temps et des efforts considérables.

Parmi les spécifications indispensables mais difficiles à tester figure le courant de polarisation d'entrée (I_B) en fonction de la température, comme illustré pour le modèle MAX74810ARMZ-RL (Figure 1).

Figure 1 : Graphique du courant IB en fonction de la température pour le MAX74810ARMZ-RL. Ces graphiques sont critiques pour les concepteurs implémentant un AFE de précision. (Source de l'image : Analog Devices)

Les fiches techniques des amplificateurs opérationnels présentent souvent la distribution de la tension de décalage d'entrée (V_IO) sur des milliers de dispositifs testés. Ces graphiques, comme celui du TSZ901IYLT (Figure 2), garantissent aux utilisateurs que le fabricant maîtrise son processus de production, ce qui rend les simulations beaucoup plus fiables et inspire confiance.

Figure 2 : Des graphiques tels que la distribution VIO pour le TSZ901IYLT garantissent aux concepteurs que le processus de production est étroitement contrôlé. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Les fournisseurs doivent également indiquer les spécifications maximum (ou minimum) pour certains paramètres, car les valeurs typiques conviennent pour les estimations de premier niveau, mais s'avèrent insuffisantes lors d'une analyse complète à l'aide de Spice ou d'autres outils. Les tableaux relatifs aux amplificateurs opérationnels, tels que celui du TLV4888PWR (Figure 3), spécifient à la fois les valeurs typiques et maximum sur toute la plage de températures afin de permettre une évaluation minutieuse de la conception. Ces données sont souvent fournies sous forme de tableau, incluant les valeurs typiques pour des paramètres tels que la tension de décalage et le courant de polarisation d'entrée.

Figure 3 : Une évaluation minutieuse de la conception d'un dispositif tel que le TLV4888PWR requiert des valeurs typiques et maximum. Les fabricants d'amplificateurs opérationnels les fournissent, le cas échéant, sous forme de tableaux. (Source de l'image : Texas Instruments)

Quels sont les avantages pour le fournisseur ?

Les efforts de développement et les coûts engagés par le fournisseur en valent-ils la peine ? En général, oui. Un produit analogique performant peut constituer une source de revenus viable et très rentable pendant de nombreuses années. Si un fournisseur parvient à réunir la bonne combinaison de fonctions, de caractéristiques et de spécifications de performances, et que le composant est adapté aux produits à succès des clients, il y a de fortes chances que l'amplificateur opérationnel soit utilisé aussi bien dans la génération de produits actuelle que dans les suivantes. Il en résulte que le composant plus ancien, jusqu'alors privilégié, est écarté.

Mais prendre la place un composant ancien n'est pas chose aisée. Contrairement aux processeurs, un bon amplificateur opérationnel est souvent réutilisé dans le circuit plutôt que d'être écarté et remplacé. Alors pourquoi les concepteurs hésitent-ils à remplacer un amplificateur opérationnel plus ancien, potentiellement moins performant, par un modèle plus récent ?

La raison est que les composants analogiques sont plus sensibles aux subtilités et aux particularités de conception, de configuration et même de fabrication que leurs homologues numériques. Les concepteurs de circuits analogiques expérimentés préfèrent renoncer à adopter un nouveau composant et à la courbe d'apprentissage que cela implique, à moins qu'il n'y ait des raisons impérieuses de le faire, tandis que les concepteurs axés sur le numérique ne veulent pas se préoccuper des aspects analogiques. Leur raisonnement est plutôt le suivant : « Si tout fonctionne suffisamment bien, on laisse les choses telles quelles et on passe à la suite. »

Pour le fournisseur et le concepteur, il existe d'autres avantages à long terme :

• Les processus de fabrication et de test perfectionnés réduisent considérablement les craintes liées à la production et à la disponibilité.
• Une expertise de fabrication améliorée et des rendements plus élevés se traduisent par des marges plus importantes pour le fournisseur.
• Le composant figure sur la liste des fournisseurs et composants approuvés par les concepteurs, que de nombreux équipementiers tiennent à jour. Il n'y a donc aucune hésitation de la part de l'entreprise à l'intégrer dans la nomenclature.

L'amplificateur de mesure INA133 de Burr-Brown (une topologie d'amplificateur opérationnel particulière) illustre bien cette mentalité consistant à « ne rien changer ». Ce dispositif a été lancé vers 1998 et est toujours proposé dans divers boîtiers et qualités, comme l'INA133UA/2K5 de Texas Instruments (qui a racheté Burr-Brown en 2000).

Bien sûr, face à cette multitude d'amplificateurs opérationnels, nouveaux et anciens confondus, le choix du modèle le mieux adapté à l'application se pose. Certains concepteurs privilégient quelques fournisseurs, d'autres se fient aux recommandations de leurs pairs. C'est là que l'IA peut vous aider : vous entrez les spécifications absolument indispensables, les spécifications supplémentaires souhaitées, ainsi que les valeurs minimales et maximales pour d'autres paramètres, et vous obtenez en retour une liste classée des amplificateurs opérationnels adaptés.

Cela peut constituer un point de départ intéressant, mais rien ne remplace la documentation et les échanges directs avec votre interlocuteur chez le fournisseur pour affiner votre choix et bien comprendre les subtilités de ces composants.

Conclusion

Le flux continu de nouveaux amplificateurs opérationnels, malgré les milliers de très bonnes versions déjà disponibles, montre qu'il existe toujours un besoin de composants plus performants. Ces dispositifs peuvent présenter une légère amélioration de leurs performances globales ou une amélioration significative sur une ou deux spécifications critiques seulement. Dans tous les cas, un nouvel amplificateur opérationnel performant peut avoir une longue durée de vie, minimisant ainsi les casse-tête pour le concepteur, tout en maximisant le rendement et les marges pour le fournisseur.

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