Amplificateurs CHAPITRE II. L'amplification est, de nos jours, très employée dans notre vie quotidienne. L'exemple le plus anodin serait l'amplificateur.

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1 Amplificateurs CHAPITRE II

2 L'amplification est, de nos jours, très employée dans notre vie quotidienne. L'exemple le plus anodin serait l'amplificateur de salon ou home cinéma, qui vous permet de jouir d'un son à la hauteur de vos ambitions. 1, Notions sur l’amplification Mais on utilise ce phénomène partout : pour amplifier la voix (téléphonie, amplificateur audio), pour amplifier des signaux (traitement des signaux) ou encore pour amplifier ou plutôt adapter la transmission de puissance.traitement des signaux Comment fonctionne l'amplification ? Et à quoi sert-il d'amplifier ?

3 1. Notions sur l’amplification Comment fonctionne l'amplification ? Et à quoi sert-il d'amplifier ? Le principe de l'amplification réside dans le gain de puissance pour un signal. C'est à dire que si j'amplifie un signal, ce dernier gagnera en puissance. Par exemple, un son émis par votre voix peut être amplifié par un amplificateur audio et ainsi gagner en puissance pour être entendu par toute l'audience (dans le cas d'une conférence, par exemple). 2. Principe de l’amplification

4 En sortie de ce dispositif, on retrouve un signal y(t) qui est identique au signal x(t) à l'exception qu'il a été amplifié. Pour bien comprendre, nous allons prendre un exemple. Soit un signal sinusoïdal en fonction du temps : x(t). Ce signal est amplifié par un dispositif d'amplification. principe d'amplification le signal d'entré x(t), en bleu, est amplifié et devient alors le signal de sortie y(t), rouge

5 2. Principe de l’amplification Bon, alors. Que c'est-il passé ? Eh bien, le signal x(t) a été amplifié. Certes. C'est tout ? Non, bien sur. L'amplitude du signal a été modifiée. Plus exactement, elle a augmentée grâce à l'amplification. D'un point de vue mathématiques, le signal x(t) a subit l'opération suivante : y(t)=a.x(t) Avec : x(t) : signal d'entrée y(t) : signal d'entré amplifié en sortie a : facteur d'amplification

6 2. Principe de l’amplification Pour résumer, l'amplification est la simple multiplication d'un signal par un facteur d'amplification. Ce facteur n'a, en général, pas d'unité. Il est dans la pratique d'employer le terme de gain d'amplification. Le signal amplifié est différent du signal à amplifier, dans le sens où le signal amplifié est la multiplication du signal à amplifier par le gain d'amplification (cf. la formule précédente). Nous allons nous mettre d'accord sur certains points à ne pas confondre afin, justement, d'éviter toutes confusions. Il y a deux choses que l'on peut faire lorsqu'on amplifie un signal : soit amplifier son amplitude (on parle alors d'adapter un signal) soit amplifier sa puissance

7 3. Types d’amplificateurs Un amplificateur, c'est quoi ? Un amplificateur est un dispositif qui amplifie un signal électrique. Son fonctionnement réside sur le principe de l'amplification, que l'on vient de voir. Il est dans la logique de représenter un amplificateur par un quadripôle. Du fait qu'il possède, dans le cas le plus simple, une entrée et une sortie (d'où les quatre pôles, avec la masse).

8 A présent, entrons au cœur de ce quadripôle et regardons comment il se comporte et ce qu'il contient. 3. Caractéristiques d’amplificateurs Un amplificateur, étant donné qu'il amplifie, ne doit pas absorber une grande puissance sur son entrée. En effet, je rappel qu'un signal n'a pas forcement une puissance énorme, donc il ne fournit pas une puissance suffisante pour que l'amplificateur, s'il absorbais beaucoup de puissance à son entrée, puisse amplifier le signal. De même, en sortie de l'amplificateur, la puissance à fournir est souvent importante. De cela, l'amplificateur doit donc pouvoir fournir une puissance importante. D'où l'intérêt de l'amplification. En somme, on peut modéliser un amplificateur comme ayant une impédance d'entrée très grande et une impédance de sortie très faible :

9 3. Caractéristiques d’amplificateurs Pour un signal entrant nommé x(t), le signal en sortie de l'amplificateur y(t) est tel que : y(t)=a.x(t) y(t)=a.x(t) ; a étant le facteur d'amplification. Pour un signal entrant nommé x(t), le signal en sortie de l'amplificateur y(t) est tel que : y(t)=a.x(t) ; a étant le facteur d'amplification.

10 3. Caractéristiques d’amplificateurs Pour un signal entrant nommé x(t), le signal en sortie de l'amplificateur y(t) est tel que : y(t)=a.x(t) y(t)=a.x(t) ; a étant le facteur d'amplification. Consommation énergétique Un amplificateur a beau amplifier la puissance d'un signal, il n'en a pas moins besoin pour fonctionner. Eh oui ! Pour fonctionner, un amplificateur a besoin d'énergie ! Il consomme donc de la puissance et en fournie au signal à amplifier selon le schéma suivant :

11 Vous le voyez, il y a un transfert de puissance qui se fait.  Premièrement, la puissance du signal d'entrée P1. On l'a dit, elle est faible et l'impédance d'entrée de l'amplificateur est grande. On peut d'ores et déjà la négliger.  En revanche, la puissance fournie par l'amplificateur pour amplifier le signal, P2, est loin d'être négligeable. Au contraire, c'est celle qui nous intéresse car elle va influencer la puissance du signal de sortie.  Cette dernière puissance est extraite de l'alimentation de l'amplificateur. Or, comme l'amplificateur réel possède des pertes d'énergies, cette puissance P3 est supérieure à P2.  Enfin, le signal de sortie a une puissance P4 très grande. P4=P1+P2≈P2 Je l'ai dis, la puissance du signal d'entrée est négligeable face à P2. On utilise donc cette approximation qui tend à être vraie. P3>P4

12 Oui, car c'est le rendement de l'amplificateur. Plus la puissance P4 se rapproche de la puissance P3, plus le rendement de l'amplificateur est bon. La bande passante et la réponse fréquentielle La bande passante d'un amplificateur est la gamme de fréquence des signaux que peut amplifier l'amplificateur. En théorie, un amplificateur idéale doit pouvoir amplifier des signaux ayant une fréquence comprise entre 0Hz et +∞Hz. Dans la réalité, cela dépend de l'amplificateur. Exemple: Pour être de bonne qualité, un amplificateur audio doit pouvoir amplifier une gamme de fréquence comprise entre 20Hz et 20kHz.

13 Voilà un exemple de courbe en réponse fréquentielle d'un amplificateur :

14 La distorsion La distorsion est en fait une déformation du signal de sortie par rapport au signal d'entrée de l'amplificateur. Ce phénomène est du à la bande passante de l'amplificateur. Reprenons. Un signal non sinusoïdal est une somme de signaux sinusoïdaux. Ces signaux sont de fréquences plus élevées que l'harmonique de rang 1 (le signal "de base" à la fréquence la plus faible). Imposons un signal créneaux à l'entrée de l'amplificateur TDA7294, dont je vous ai donner la courbe de réponse en fréquence. Disons que ça fréquence est de 20kHz, proche de la limite de la bande passante de l'amplificateur en question :

15 La distorsion Sur ce chronogramme, on voit bien que les harmoniques non amplifiées (atténuées) ont une influence sur le signal de sortie. J'ai pris un cas simple, mais la distorsion a bien plus de facteurs que cela. Entre autre, la linéarité des composants et la qualité de l'amplificateur influent beaucoup sur le signal amplifié.

16 4. Amplificateur d’instrumentation Un amplificateur de mesure est un dispositif électronique destiné au traitement de faibles signaux électriques. C’est un élément essentiel dans la partie de conditionnement d'une chaîne d'acquisition : il permet le traitement de signaux issus de capteurs de mesure. Il est généralement réalisé à partir d'un ou de plusieurs amplificateurs opérationnels (AOP), de telle manière qu'il améliore leurs caractéristiques intrinsèques : -composante continue, -dérive, -bruit d'amplification, -gain en boucle ouverte, -taux de réjection du mode commun, -impédance d'entrée.

17 4. Amplificateurs d’instrumentation En milieu industriel c’est à dire dans un milieu parasité par des bruits électromagnétiques, une tension différente de celle délivrée par le capteur vient se superposer à celle délivrée par le capteur. La tension qui se superpose peut avoir plusieurs origines : 4.1 Importance de la réjection de mode commun

18 Idéalement, un amplificateur opérationnel est un amplificateur différentiel, c'est-à-dire qu'il amplifie la différence de potentiel entre ses deux entrées. On a pour relation : avec G d le gain différentiel de l'amplificateur, Vs la tension de sortie de cet amplificateur, V+ la tension appliquée sur l'entrée non-inverseuse et V- celle appliquée sur l'entrée inverseuse. En pratique, la tension de sortie d'un AOP ne dépend pas uniquement de la différence de tension entre ses deux entrées, elle dépend aussi de la valeur moyenne des tensions sur ses deux entrées (ou tension de mode commun). La relation entrée sortie d'un AOP s'établit ainsi : avec Gmc l'amplification de mode commun. Afin de définir la capacité de l'amplificateur à rejeter le mode commun, on définit le « taux de rejet du mode commun » (TRMC) : Pour un AOP, le TRMC en continu varie entre 70 et 130 dB suivant le type d'amplificateur1 mais il diminue fortement avec l'augmentation de la fréquence.

19 Idéalement, un amplificateur opérationnel est un amplificateur différentiel, c'est-à-dire qu'il amplifie la différence de potentiel entre ses deux entrées. On a pour relation : avec Gd le gain différentiel de l'amplificateur, Vs la tension de sortie de cet amplificateur, V+ la tension appliquée sur l'entrée non-inverseuse et V- celle appliquée sur l'entrée inverseuse. En pratique, la tension de sortie d'un AOP ne dépend pas uniquement de la différence de tension entre ses deux entrées, elle dépend aussi de la valeur moyenne des tensions sur ses deux entrées (ou tension de mode commun). La relation entrée sortie d'un AOP s'établit ainsi : avec Gmc l'amplification de mode commun. Afin de définir la capacité de l'amplificateur à rejeter le mode commun, on définit le « taux de rejet du mode commun » (TRMC) : Pour un AOP, le TRMC en continu varie entre 70 et 130 dB suivant le type d'amplificateur1 mais il diminue fortement avec l'augmentation de la fréquence.

20 4. Amplificateur d’instrumentation Les signaux électriques issus de capteurs (thermocouple, ponts de mesure…) sont généralement de faible niveau. Si l’on souhaite travailler avec une bonne précision, il est nécessaire de les amplifier. Mais cette amplification ne doit concerner que le signal utile. Or ce dernier côtoie bien souvent une tension parasite (souvent du même ordre de grandeur que le signal utile) ainsi qu’une tension de mode commun due au conditionneur associé au capteur (cas d’un pont de Wheastone). Il faut donc faire une amplification « sélective » qui élimine ou attenue fortement tout signal ne contenant pas d’information pour garder que le signal capteur. On fait appel pour cela à l’amplificateur d’instrumentation qui adapte le signal utile à la chaine d’acquisition de manière la plus précise. C’est un amplificateur différentiel à fort taux de rejection de mode commun.

21 4.1 Notion de tension de mode commun La tension de mesure Vm issue d’un capteur est une tension différentielle entre deux conducteurs (a et b): Vm = Va - Vb. On définit la tension de mode commun Vmc comme étant la tension commune àVa et Vb et qui ne contient pas d’information. a. Définition de la tension de mode commun Source du signal Dispositif de mesure Vm Va Vb A B V0 vmvm vBvB vAvA v MC

22 La tension Vmc est commune à Va et Vb, elle peut être très supérieure à Vm. Faire une mesure de bonne précision, revient à éliminer ou rejeter cette tension de mode commun de manière à extraire la tension Vm (tension différentielle de mesure) tout en étant indépendant de Vmc (tension de mode commun). Cette tension de mode commun Vmc peut avoir plusieurs origines. a.1 Tension de mode commun due à l’alimentation (cas du montage pont). Soit un capteur résistif placé dans un montage en pont de Wheastone. R0 E=15V R0 R0+  R V1=Va-V b A B Montage en pont de Wheastone.

23 On a dans ce montage une tension de mode commun (Vmc) qui vaut: Ainsi qu'une tension différentielle (Vd) qui vaut: On peut ainsi adopter une représentation permettant de faire apparaitre la tension de mode commun Vmc et la tension différentielle Vd vis-à-vis des deux tensions et : Vmc +Vd/2 -Vd/2 Va Vb Ici, la tension de mode commun est liée à l’alimentation du montage en pont, la tension différentielle est l’information issue du capteur.

24 Lors de la transmission du signal capteur, si celui-ci se fait sur un fil, la présence d’un courant peut entrainer une f.e.m de masse qui va se superposer à la tension capteur. Cette tension de masse sera amplifiée de la même manière que le signal capteur sans possibilité de l’éliminer. C’est pour cette raison que l’on cherche la plupart du temps à transmettre un signal capteur de manière différentielle afin de s’affranchir de cette masse a.2 Tension de mode commun de masse (transmission unifilaire). a.3 Tension de mode commun de perturbations (transmission bifilaire). La transmission de l’information sur deux fils, donc de manière différentielle, permet de limiter très fortement le problème lié à la f.e.m de masse vue précédemment. De plus si des signaux parasites se superposent au signal utile durant la transmission, l’amplification différentielle aura pour effet de les éliminer. A noter que les deux fils de transmission sont les plus proches l’un de l’autre de manière à obtenir la même tension de mode commun due aux perturbations sur les deux fils.

25 La tension de mesure est une tension différentielle entre deux points de sortie (d1 et d2) du capteur: Vm = Vd1 – Vd2. Amplification Mesure (Vm) Vm B A Vs La transmission engendre des tensions parasites qui se retrouvent de maniére commune sur les deux fils de transmissions, on appelle Vmc cette tension de perturbation. Ainsi en entrée de l’amplificateur on retrouve: Avec Vd1 et Vd2 de l’ordre de (  V au mV) Pour Vmc, cela peut aller de (0 – 200V) en DC ou bien alternatif 50Hz dans le cas d’un couplage avec le réseau.

26 4.1 Amplificateur différentiel et Taux de Réjection de Mode Commun L’utilisation d’un amplificateur différentiel est souvent rendu nécessaire lors de la présence d’une tension de mode commun. Son rôle est de fournir en sortie, une tension proportionnelle à la différence des deux tensions d’entrée. On peut le représenter selon la figure suivante: v+v+ A2 A1 ∑ + - vdvd v-v- v0v0 On dispose de deux entrées Entrée inverseuse de gain A1 et entrées non-inverseuse de gain A2, la sortie est un sommateur.

27 4.1 Amplificateur différentiel et Taux de Réjection de Mode Commun v+v+ A2 A1 ∑ + - vdvd v-v- v0v0 Où Ad est le gain différentiel et Amc le gain en mode commun avec:

28 4.1 Amplificateur différentiel et Taux de Réjection de Mode Commun On caractérise un amplificateur différentiel par son taux de réjection de mode commun  : Ainsi l’expression de la tension de sortie d’un amplificateur différentiel s’écrit: 4.1 Définition du Taux de Réjection de Mode Commun (TRMC) Il caractérise le rapport entre l’amplification différentielle et l’amplification du mode commun d’un amplificateur differentiel:

29 4.1 Amplificateur différentiel et Taux de Réjection de Mode Commun On définit le TRMC (en dB) par l »expression: L’expression de la tension de sortie devient: La quantité Est aussi appelée tension de mode commun ramenée en entrée différentielle, Cette tension introduit une erreur sur ‘amplification différentielle.

30 4.2 Avantages de l’amplificateur d’instrumentation 1. Tests et mesures précis L’amplificateur d’instrumentation ne nécessite pas d’adaptation d’impédance d’entrée. Cela rend l'amplificateur idéal pour tester et mesurer divers équipements. L'amplificateur d'instrumentation a un faible offset CC. Il ne génère pas de bruit perceptible et la dérive est très faible. Le gain en boucle ouverte est très élevé, le taux de réjection en mode commun est également très élevé et les deux attributs associés à une impédance d'entrée considérable les rendent très précis 2. Stable et facile à utiliser

31 4.2 Avantages de l’amplificateur d’instrumentation 2. Stable et facile à utiliser L'amplificateur d'instrumentation est très stable et par conséquent idéal pour une utilisation à long terme. L'amplificateur d'instrumentation possède un circuit contrôlé, mais il peut être facilement modifié ou ajusté en travaillant sur la valeur R (gain). Il n'est pas nécessaire de changer le circuit ou sa structure. Puisque le R (gain) dépend presque entièrement des résistances utilisées à l'extérieur, la valeur du gain peut être jaugée de manière très précise et peut être modifiée en travaillant sur les résistances. 3. Fiabilité de la configuration et des résultats L’amplificateur instrumentation fonctionne avec l’entrée et ne dépend donc pas beaucoup des divers facteurs qui influent sur la sortie aux derniers stades. Vous pouvez mieux comprendre la qualité de la sortie d’un instrument que si vous connaissez très bien l’entrée.

32 4.3 Inconvenients de l’amplificateur d’instrumentation 1. Problemes de transmission à longue portée La plus grande préoccupation de l’amplificateur d’instrumentation et la possibilité de superposition de bruits lorsque les signaux sont transmis sur des longues distances. Le système exigera donc de câbles spéciaux pouvant annuler ce bruit ou cette superposition.

33 5. Amplificateur d’isolement Lorsque les tensions de mode commun dépassent ou risquent de dépasser 70% des tensions d’alimentation, l’amplificateur d’instrumentation n’. C’est l’amplificateur d’isolement qui dans ce cas est susceptible d’apporter une solution. Un amplificateur d'isolement est un amplificateur qui est isolé galvaniquement entre ses circuits d'entrée et de sortie, y compris les alimentations associées. Les amplificateurs d'isolation sont des instruments conçus pour mesurer des signaux d'intensité et de tension extrêmement faibles en présence de tensions de mode commun élevées, en fournissant une barrière de sécurité électrique et une isolation électrique. Ce sont des amplificateurs différentiels protégeant les composants d'acquisition de données des tensions de mode commun, qui sont des différences de potentiel entre la masse de l'instrument et la masse du signal. Comment choisir l'amplificateur d'isolation adéquat ? Il existe deux principaux types d'amplificateurs d'isolation, et la décision d'utiliser l'un plutôt que l'autre dépend de plusieurs aspects et des besoins de l'utilisateur :

34 A une seule extrémité, commun flottant : une entrée isolée et quasi symétrique (le commun flottant est généralement connecté à l'entrée (-) de l'amplificateur différentiel). Il est adapté pour les mesures flottantes jusqu'à la tension d'isolement de la barrière d'isolation, et présente un très bon rejet de mode commun (100 dB typique). Différentiel, commun flottant : une entrée isolée et équilibrée. Il est adapté pour les mesures flottantes jusqu'à la tension d'isolement de la barrière d'isolation, et présente un excellent rejet de mode commun (> 120 dB typique). Quelles sont les applications typiques des amplificateurs d'isolation ? Les amplificateurs d'isolation sont généralement utilisés dans les applications de mesure ou de test et les appareils médicaux. Ils sont également employés dans les applications solaires et la construction de piles à combustible afin de dresser le profil de rendement des piles de tension individuelles connectées en série.