Amplificateurs à rétroaction série-courant : Haute impédance entrée, contrôle précis courant

Un amplificateur à rétroaction série-courant (aussi appelé amplificateur de transconductance avec rétroaction série) est une topologie où le réseau de rétroaction échantillonne le courant de sortie et renvoie une tension en série avec l'entrée. Cela crée une source de courant commandée en tension (VCCS) avec transconductance stabilisée (G_m = I_out/V_in).

Diagramme de blocs et flux signal

 V_in │ ▼ ┌─────────┐ │ Σ │──→ V_err (V_in - V_fb) └────┬────┘ │ ▼ ┌─────────┐ I_out │ A_ol │──────────────►│ Charge │ (Gain│ │ │ direct)│ │ └────┬────┘ │ │ │ ▼ │ ┌─────────┐ │ │ β (FB) │←── I_sense ────┘ │ Réseau │ (Échantillonnage courant) └─────────┘ 

• Gain direct (A_ol) : Transconductance en boucle ouverte (A/S ou Siemens). Élevée.
• Facteur rétroaction (β) : Transimpédance (V/I = Ohms). Typiquement résistance de détection R_S ou miroir de courant.
• Transconductance boucle fermée : G_{m_cl} = I_out/V_in ≈ 1/β (si A_olβ >> 1). Définie par réseau rétroaction, pas paramètres transistor.
• Impédance entrée : Z_{in_cl} = Z_{in_ol} × (1 + A_olβ) → Très élevée (Rétroaction série augmente Z_in).
• Impédance sortie : Z_{out_cl} = Z_{out_ol} × (1 + A_olβ) → Très élevée (Sortie courant = Haute Z). Source de courant idéale.

Implémentations circuits typiques

1. BJT/FET avec dégénération émetteur/source (Rétroaction série locale)

R_E / R_S en émetteur/source. Échantillonne I_C/I_D → V_fb = I×R_E. En série avec V_be/V_gs.

• G_m ≈ 1/R_E (si g_mR_E >> 1).
• Z_in ≈ β(R_E + r_e) ou ∞ (MOSFET).
• Z_out ≈ r_o (1 + g_mR_E) → Élevée.

2. VCCS basé ampli-op (Howland / Howland amélioré)

Ampli-op force tension aux bornes résistance sense → courant précis. Rétroaction globale.

• Haute précision, faible plage tension conformité (limitée par rails).
• Utilisé en transmetteurs 4–20 mA, cellules électrochimiques, diodes laser.

3. Amplis-op à rétroaction courant (CFA / CFB)

Topologie interne : Tampon entrée (faible Z_in-) → Miroir courant → Haute Z_out. Résistance rétroaction R_F règle bande passante, pas gain. Pas rétroaction série-courant au niveau système, mais internement mode courant.

Applications clés

Application	Pourquoi rétroaction série-courant ?
Transmetteurs industriels 4–20 mA	Courant boucle = signal. Immunisé résistance fil. Haute Zout = plage tension conformité.
Drivers diodes laser	Puissance lumière ∝ I. Gm précis = puissance stable. Haute Zout = conformité variation Vf.
Électrochimie / Corrosion / Placage	Courant contrôlé = taux réaction contrôlé (Loi Faraday).
Contrôle couple moteur (FOC)	Couple ∝ Iq. Boucle courant = boucle interne cascade. Large bande, précis.
Audio : Ampli transconductance → HP piloté courant	Impédance HP varie avec fréquence. Ampli tension → réponse suit Z. Ampli courant → réponse plate (si Z connue).
Excitation capteurs (RTD, Thermistance)	Courant constant → V linéaire vs T (RTD) ou linéarisé. Élimine erreur fils conducteurs (4 fils).

Avantages vs Inconvénients

Avantages	Inconvénients
Gm précis fixé par R passif (stable, faible dérive)	Haute Zout → plage tension conformité limitée (rails)
Zin très élevée (idéal sources haute Z : piézo, photodiode, EEG)	Stabilité : Pôle supplémentaire réseau sense → compensation nécessaire
Limitation courant inhérente (protège charge)	Bruit : Résistance sense ajoute bruit thermique (4kTRB)
Rejette bruit alimentation (PSRR sortie élevé)	Plus complexe que mode tension (boucle supplémentaire)

Résumé

La rétroaction série-courant crée un bloc haute Z_in, haute Z_out, transconductance précise. C'est la topologie de choix quand le courant est la variable contrôlée — boucles industrielles, diodes laser, électrochimie, couple moteur, détection précise. La résistance de rétroaction (ou ratio miroir courant) est l'équation de conception.