Jusqu’à présent, nous n’avons utilisé qu’une seule des entrées des amplificateurs opérationnels pour nous connecter à l’amplificateur, en utilisant la borne d’entrée « inverseuse » ou « non-inverseuse » pour amplifier un seul signal d’entrée, l’autre entrée étant connectée à la masse.
Mais comme un amplificateur opérationnel standard possède deux entrées, l’inverseuse et la non-inverseuse, nous pouvons également connecter des signaux à ces deux entrées en même temps, produisant un autre type commun de circuit d’amplificateur opérationnel appelé amplificateur différentiel.
Basiquement, comme nous l’avons vu dans le premier tutoriel sur les amplificateurs opérationnels, tous les amplificateurs opérationnels sont des « amplificateurs différentiels » en raison de leur configuration d’entrée. Mais en connectant un signal de tension sur une borne d’entrée et un autre signal de tension sur l’autre borne d’entrée, la tension de sortie résultante sera proportionnelle à la « Différence » entre les deux signaux de tension d’entrée de V1 et V2.
Alors les amplificateurs différentiels amplifient la différence entre deux tensions faisant de ce type de circuit d’amplificateur opérationnel un Soustracteur contrairement à un amplificateur sommateur qui additionne ou somme les tensions d’entrée. Ce type de circuit d’amplificateur opérationnel est communément appelé une configuration d’amplificateur différentiel et est illustré ci-dessous :
Amplificateur différentiel
En connectant chaque entrée tour à tour à la masse 0v, nous pouvons utiliser la superposition pour résoudre la tension de sortie Vout. Alors la fonction de transfert pour un circuit amplificateur différentiel est donnée par :
Lorsque les résistances, R1 = R2 et R3 = R4 la fonction de transfert ci-dessus pour l’amplificateur différentiel peut être simplifiée à l’expression suivante :
Équation de l’amplificateur différentiel
Si les résistances ont toutes la même valeur ohmique, c’est-à-dire : R1 = R2 = R3 = R4 alors le circuit deviendra un amplificateur différentiel à gain unitaire et le gain de tension de l’amplificateur sera exactement un ou l’unité. Alors l’expression de sortie serait simplement Vout = V2 – V1.
Notez également que si l’entrée V1 est supérieure à l’entrée V2, la somme des tensions de sortie sera négative, et si V2 est supérieure à V1, la somme des tensions de sortie sera positive.
Le circuit amplificateur différentiel est un circuit d’amplificateur opérationnel très utile et en ajoutant plus de résistances en parallèle avec les résistances d’entrée R1 et R3, le circuit résultant peut être fait pour « ajouter » ou « soustraire » les tensions appliquées à leurs entrées respectives. L’une des façons les plus courantes de le faire est de connecter un « pont résistif » communément appelé pont de Wheatstone à l’entrée de l’amplificateur comme indiqué ci-dessous.
Amplificateur différentiel à pont de Wheatstone
Le circuit d’amplificateur différentiel standard devient maintenant un comparateur de tension différentielle en « comparant » une tension d’entrée à l’autre. Par exemple, en connectant une entrée à une référence de tension fixe mise en place sur une jambe du réseau de pont résistif et l’autre à une « Thermistance » ou une « Résistance dépendante de la lumière », le circuit amplificateur peut être utilisé pour détecter soit des niveaux bas ou élevés de température ou de lumière car la tension de sortie devient une fonction linéaire des changements dans la jambe active du pont résistif et ceci est démontré ci-dessous.
Amplificateur différentiel activé par la lumière
Ici, le circuit ci-dessus agit comme un interrupteur activé par la lumière-.activée par la lumière qui allume ou éteint le relais de sortie lorsque le niveau de lumière détecté par la résistance LDR dépasse ou descend en dessous d’une certaine valeur prédéfinie. Une référence de tension fixe est appliquée à la borne d’entrée non inverseuse de l’op-amp via le réseau diviseur de tension R1 – R2.
La valeur de la tension à V1 définit le point de déclenchement de l’op-amp avec un potentiomètre de retour, VR2 utilisé pour définir l’hystérésis de commutation. C’est la différence entre le niveau de lumière pour « ON » et le niveau de lumière pour « OFF ».
La deuxième branche de l’amplificateur différentiel est constituée d’une résistance standard dépendant de la lumière, également connue sous le nom de LDR, capteur photorésistif qui change sa valeur résistive (d’où son nom) avec la quantité de lumière sur sa cellule car leur valeur résistive est fonction de l’éclairage.
Le LDR peut être n’importe quel type standard de cellule photoconductrice au sulfure de cadmium (cdS), comme la NORP12 courante qui a une plage de résistivité comprise entre environ 500Ω à la lumière du soleil et environ 20kΩ ou plus dans l’obscurité.
La cellule photoconductrice NORP12 a une réponse spectrale similaire à celle de l’œil humain, ce qui la rend idéale pour une utilisation dans des applications de type contrôle d’éclairage. La résistance de la cellule photoélectrique est proportionnelle au niveau de lumière et diminue avec l’augmentation de l’intensité lumineuse, donc le niveau de tension à V2 changera également au-dessus ou en dessous du point de commutation qui peut être déterminé par la position de VR1.
Puis en ajustant le déclenchement du niveau de lumière ou la position de réglage en utilisant le potentiomètre VR1 et l’hystérésis de commutation en utilisant le potentiomètre, VR2 un interrupteur sensible à la lumière de précision peut être fait. Selon l’application, la sortie de l’op-amp peut commuter la charge directement, ou utiliser un commutateur à transistor pour commander un relais ou les lampes elles-mêmes.
Il est également possible de détecter la température en utilisant ce type de configuration de circuit simple en remplaçant la résistance dépendant de la lumière par une thermistance. En interchangeant les positions de VR1 et de la LDR, le circuit peut être utilisé pour détecter soit la lumière ou l’obscurité, soit la chaleur ou le froid à l’aide d’une thermistance.
Une limitation majeure de ce type de conception d’amplificateur est que ses impédances d’entrée sont plus faibles par rapport à celle d’autres configurations d’amplificateurs opérationnels, par exemple, un amplificateur non inverseur (entrée unique).
Chaque source de tension d’entrée doit conduire le courant à travers une résistance d’entrée, qui a moins d’impédance globale que celle de l’entrée des amplificateurs opérationnels seuls. Cela peut être bon pour une source à faible impédance comme le circuit en pont ci-dessus, mais pas si bon pour une source à haute impédance.
Une façon de surmonter ce problème est d’ajouter un amplificateur tampon à gain unitaire comme le suiveur de tension vu dans le tutoriel précédent à chaque résistance d’entrée. Cela nous donne alors un circuit amplificateur différentiel avec une impédance d’entrée très élevée et une faible impédance de sortie car il est constitué de deux tampons non inverseurs et d’un amplificateur différentiel. Cela constitue alors la base de la plupart des « amplificateurs d’instrumentation ».
Amplificateur d’instrumentation
Les amplificateurs d’instrumentation (in-amps) sont des amplificateurs différentiels à très haut gain qui ont une impédance d’entrée élevée et une sortie simple. Les amplificateurs d’instrumentation sont principalement utilisés pour amplifier de très petits signaux différentiels provenant de jauges de contrainte, de thermocouples ou de dispositifs de détection de courant dans les systèmes de commande de moteurs.
Contrairement aux amplificateurs opérationnels standard dans lesquels leur gain en boucle fermée est déterminé par une rétroaction résistive externe connectée entre leur borne de sortie et une borne d’entrée, positive ou négative, les « amplificateurs d’instrumentation » possèdent une résistance de rétroaction interne qui est effectivement isolée de ses bornes d’entrée lorsque le signal d’entrée est appliqué sur deux entrées différentielles, V1 et V2.
L’amplificateur d’instrumentation présente également un très bon rapport de rejet en mode commun, CMRR (sortie nulle lorsque V1 = V2) bien supérieur à 100dB en courant continu. Un exemple typique d’un amplificateur d’instrumentation à trois amplificateurs opérationnels avec une impédance d’entrée élevée ( Zin ) est donné ci-dessous :
Amplificateur d’instrumentation à haute impédance d’entrée
Les deux amplificateurs non-inverseurs forment un étage d’entrée différentiel agissant comme des amplificateurs tampons avec un gain de 1 + 2R2/R1 pour les signaux d’entrée différentiels et un gain unitaire pour les signaux d’entrée en mode commun. Les amplificateurs A1 et A2 étant des amplificateurs à rétroaction négative en boucle fermée, on peut s’attendre à ce que la tension à Va soit égale à la tension d’entrée V1. De même, la tension à Vb sera égale à la valeur à V2.
Comme les amplificateurs opérationnels ne prennent aucun courant à leurs bornes d’entrée (terre virtuelle), le même courant doit circuler à travers le réseau à trois résistances de R2, R1 et R2 connecté aux sorties des amplificateurs opérationnels. Cela signifie alors que la tension à l’extrémité supérieure de R1 sera égale à V1 et que la tension à l’extrémité inférieure de R1 sera égale à V2.
Cela produit une chute de tension aux bornes de la résistance R1 qui est égale à la différence de tension entre les entrées V1 et V2, la tension différentielle d’entrée, car la tension à la jonction de sommation de chaque amplificateur, Va et Vb est égale à la tension appliquée à ses entrées positives.
Cependant, si une tension en mode commun est appliquée aux entrées des amplificateurs, les tensions de chaque côté de R1 seront égales, et aucun courant ne circulera dans cette résistance. Comme aucun courant ne circule à travers R1 (ni, par conséquent, à travers les deux résistances R2, les amplificateurs A1 et A2 fonctionneront comme des suiveurs à gain unitaire (tampons). Puisque la tension d’entrée aux sorties des amplificateurs A1 et A2 apparaît de façon différentielle à travers le réseau de trois résistances, le gain différentiel du circuit peut être varié en changeant simplement la valeur de R1.
La tension de sortie de l’ampli-op différentiel A3 agissant comme soustracteur, est simplement la différence entre ses deux entrées ( V2 – V1 ) et qui est amplifiée par le gain de A3 qui peut être un, unité, (en supposant que R3 = R4). Nous avons alors une expression générale pour le gain de tension global du circuit amplificateur d’instrumentation comme :
Equation de l’amplificateur d’instrumentation
Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs opérationnels, nous examinerons l’effet de la tension de sortie, Vout, lorsque la résistance de rétroaction est remplacée par une réactance dépendant de la fréquence sous la forme d’une capacité. L’ajout de cette capacité de rétroaction produit un circuit amplificateur opérationnel non linéaire appelé amplificateur intégrateur.
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