Dans ce tutoriel, nous allons apprendre l’un des circuits importants dans la conception de circuits analogiques : un amplificateur différentiel. C’est essentiellement un amplificateur électronique, qui a deux entrées et amplifie la différence entre ces deux tensions d’entrée.
L’amplificateur opérationnel est en interne un amplificateur différentiel avec des caractéristiques telles que l’impédance d’entrée élevée, la faible impédance de sortie, etc. Pour plus d’informations sur l’amplificateur opérationnel, lisez « Les bases de l’amplificateur opérationnel ».
Outline
Introduction
La paire différentielle ou configuration d’amplificateur différentiel est un bloc de construction le plus largement utilisé dans la conception de circuits intégrés analogiques. C’est l’étage d’entrée de tout amplificateur opérationnel, virtuellement.
Un amplificateur de différence ou amplificateur différentiel amplifie la différence entre les deux signaux d’entrée. Un amplificateur opérationnel est un amplificateur de différence ; il possède une entrée inverseuse et une entrée non-inverseuse. Mais le gain de tension en boucle ouverte d’un amplificateur opérationnel est trop élevé (idéalement infini), pour être utilisé sans connexion de rétroaction.
Donc, un amplificateur de différence pratique utilise une connexion de rétroaction négative pour contrôler le gain de tension de l’amplificateur.
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Amplificateur différentiel
L’amplificateur différentiel présenté dans le circuit ci-dessus est une combinaison d’amplificateurs inverseurs et non-inverseurs. Si la borne non inverseuse est reliée à la masse, le circuit fonctionne comme un amplificateur inverseur et le signal d’entrée V1 est amplifié par – (R3 / R1).
De même, si la borne d’entrée inverseuse est reliée à la masse, le circuit se comporte comme un amplificateur non inverseur. Avec la borne d’entrée inverseuse reliée à la masse, R3 et R1 fonctionnent comme les composants de rétroaction d’un amplificateur non inverseur.
L’entrée V2 est potentiellement divisée à travers les résistances R2 et R4 pour donner VR4, et ensuite VR4 est amplifié par (R3 + R1) / R1.
Avec V2 = 0,
VO1 = -(R3 / R1) * V1
Avec V1 = 0,
VR4 = {R4/(R2+R4)}*V2
et
VO2 = {(R1+R3)/R1}*VR4
Donc,
VO2 = {(R1 + R3) / R1} * {R4 / (R2 + R4) } * V2
Si les résistances d’entrée sont choisies de telle sorte que, R2 = R1 et R4 = R3, alors
VO2 = {R3 / R1} * V2
Maintenant, selon le principe de superposition si les deux signaux d’entrée V1 et V2 sont présents, alors la tension de sortie est
VO = VO1 + VO2
= {-(R3 / R1) * V1} + {R3 / R1} * V2
Ce qui donne,
VO = (R3 / R1) * {V2 – V1}
Lorsque les résistances R3 et R1 sont de même valeur, la sortie est la différence directe des tensions d’entrée appliquées. En choisissant R3 plus grand que R1, on peut faire de la sortie une version amplifiée de la différence des tensions d’entrée.
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Résistance d’entrée
Un problème lié à la sélection des résistances de l’amplificateur de différence comme R2 = R1 et R3 = R4 est que les résistances d’entrée pour l’amplificateur inverseur et l’amplificateur non-inverseur sont inégales.inverseur sont inégales.
La résistance d’entrée pour la tension V1 est R1 comme dans le cas d’un amplificateur inverseur. Pour l’entrée non inverseuse, c’est-à-dire pour la tension d’entrée V2, la résistance d’entrée est (R2 + R4).
Cette différence entre les résistances d’entrée fait qu’un des signaux d’entrée est plus amplifié que l’autre.
L’équation de sortie de l’amplificateur différentiel VO, peut être obtenue en rendant le rapport R4 / R2 identique à R3 / R1, au lieu de rendre R2 = R1 et R4 = R3.
La différence de résistance d’entrée ne posera pas de problème si les résistances de la source du signal sont beaucoup plus petites que les résistances d’entrée. De plus, il est généralement souhaitable d’avoir R2 = R1 et R4 = R3, afin de minimiser les tensions de décalage d’entrée.
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Gain différentiel
Le gain différentiel d’un amplificateur différentiel est défini comme le gain obtenu au niveau du signal de sortie par rapport à la différence des signaux d’entrée appliqués.
La tension de sortie d’un amplificateur différentiel est donnée par,
VO = AD (V1 – V2)
où, AD = – (R3 / R1) est le gain différentiel de l’amplificateur.
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Entrée en mode commun
Un amplificateur différentiel amplifie la différence entre les deux tensions d’entrée. Idéalement, une entrée en mode commun Vcm rendrait les entrées (V1 + Vcm) et (V2 + Vcm), ce qui aura pour conséquence d’annuler Vcm lorsque la différence des deux tensions d’entrée est amplifiée.
Puisque la sortie d’un amplificateur de différence pratique dépend du rapport des résistances d’entrée, si ces rapports de résistance ne sont pas exactement égaux, alors une tension d’entrée est amplifiée de manière plus importante que l’autre entrée.
En conséquence, la tension en mode commun Vcm ne sera pas complètement annulée. Comme il est pratiquement impossible de faire correspondre parfaitement les rapports de résistance, il est probable qu’il y ait une certaine tension de sortie de mode commun.
Avec la présence de la tension d’entrée en mode commun, la tension de sortie de l’amplificateur différentiel est donnée par,
VO = AdVd + Ac Vc
Dans laquelle Vd = la tension différentielle V1-.V2
Vc = la tension de mode commun (V1+V2)/2
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Ratio de rejet en mode commun (CMRR)
La capacité d’un amplificateur différentiel à rejeter les signaux d’entrée en mode commun est exprimée en termes de ratio de rejet en mode commun (CMRR). Le rapport de réjection en mode commun d’un amplificateur différentiel est mathématiquement donné comme le rapport entre le gain de tension différentiel de l’amplificateur différentiel et son gain en mode commun.
CMRR = | Ad / Ac|
Idéalement, le gain de tension en mode commun d’un amplificateur différentiel est nul. Par conséquent, le CMRR est idéalement infini.
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Caractéristiques d’un amplificateur différentiel
- Gain de tension différentielle élevé
- Gain de mode commun faible
- Haute impédance d’entrée
- Basse impédance de sortie
- Haut CMRR
- Grande largeur de bande
- Faibles tensions et courants de décalage
.
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Amplificateur différentiel comme comparateur
Un circuit d’amplificateur différentiel est un circuit d’op-circuit amplificateur, puisqu’il peut être configuré pour « additionner » ou « soustraire » les tensions d’entrée, en ajoutant convenablement plus de résistances en parallèle avec les résistances d’entrée.
Une conception de circuit d’amplificateur différentiel à pont de Wheatstone est telle que présentée dans la figure ci-dessus. Ce circuit se comporte comme un comparateur de tension différentielle.
En connectant une entrée à une tension fixe et l’autre à une thermistance (ou à une résistance dépendant de la lumière), le circuit amplificateur différentiel détecte les niveaux élevés ou bas de température (ou d’intensité lumineuse) car la tension de sortie devient une fonction linéaire des changements de la branche active du réseau en pont résistif.
Un amplificateur différentiel en pont de Wheatstone peut également être utilisé pour trouver la résistance inconnue dans le réseau en pont résistif, en comparant les tensions d’entrée aux bornes des résistances.
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Interrupteur activé par la lumière utilisant un amplificateur différentiel
Le circuit représenté sur la figure ci-dessus agit comme un interrupteur dépendant de la lumière, qui allume ou éteint le relais de sortie lorsque l’intensité de la lumière tombant sur la résistance dépendant de la lumière (LDR) dépasse ou descend en dessous d’une valeur prédéfinie à la borne d’entrée non inverseuse V2.
La tension V2 est déterminée par la résistance variable VR1. Les résistances R1 et R2 agissent comme un réseau diviseur de potentiel. Une tension de référence fixe est appliquée à l’entrée inverseuse, à travers R1 et R2.
Le même circuit peut être modifié pour détecter les variations de température, simplement en remplaçant la LDR par une thermistance. En interchangeant les positions de la LDR et de VR1, on peut faire en sorte que le circuit détecte l’obscurité ou la lumière (ou la chaleur ou le froid avec l’utilisation d’une thermistance).
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Exemple d’amplificateur différentiel
Déterminer la tension de sortie d’un amplificateur différentiel pour les tensions d’entrée de 300µV et 240µV. Le gain différentiel de l’amplificateur est de 5000 et la valeur du CMRR est (i) 100 et (ii) 105
L’amplificateur différentiel pour les données données est représenté comme indiqué sur la figure.
i) CMRR = Ad / Ac
100 =5000 / Ac
Ac = 50
Vd = V1 – V2 = 300µV – 240µV = 60µV
Vc = (V1 + V2)/2 = 540µV / 2 = 270 µV
VO = Ad Vd + Ac Vc
= µV
VO = 313500 µV = 313.500 mV
ii) CMRR = 105
Ac = Ad / CMRR = 5000 / 105 = 0.05
VO = AdVd + Ac Vc = µV
VO = 300013.5 µV
Note : Idéalement, Ac est nul. La sortie n’est donc que AdVd, ce qui donne VO = 5000 x 60 µV = 300mV.
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Résumé de l’amplificateur différentiel
- Un amplificateur différentiel également connu sous le nom d’amplificateur de différence est une configuration d’op-amp utile qui amplifie la différence entre les tensions d’entrée appliquées.
- Un amplificateur différentiel est une combinaison d’amplificateurs inverseurs et non-inverseurs. Il utilise une connexion de rétroaction négative pour contrôler le gain de tension différentielle.
- Le gain de tension différentielle de l’amplificateur dépend du rapport des résistances d’entrée. Par conséquent, en choisissant soigneusement les résistances d’entrée, il est possible de contrôler avec précision le gain de l’amplificateur différentiel.
- Le gain en mode commun d’un amplificateur différentiel est idéalement nul. Mais en raison d’un déséquilibre dans les valeurs des résistances, il y aura une très petite tension de sortie en mode commun et un gain en mode commun fini.
- En modifiant convenablement les connexions des résistances aux bornes d’entrée, on peut faire en sorte qu’un amplificateur différentiel ajoute, soustraie et compare les niveaux de tension d’entrée appliqués.
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Post précédent – Amplificateur sommateur
Post suivant – Amplificateur d’instrumentation