Amplificateur d'échelle : circuit AOP pour gain/atténuation précis du signal
Qu'est-ce qu'un amplificateur d'échelle ?
Un amplificateur d'échelle est un circuit amplificateur opérationnel qui multiplie une tension d'entrée par un facteur constant et précis K (facteur d'échelle), où K peut être > 1 (amplification), < 1 (atténuation), ou négatif (inversion + échelle). C'est le bloc fondamental du calcul analogique, conditionnement de signal et acquisition de données.
Circuit canonique : Amplificateur d'échelle inverseur
Rf Vin ──┬─────[ ]─────┐ │ │ ▼ ▼ (–) (–) | \ | \ | \ AOP | \ | >─────────| >── Vout = –K × Vin | / | / | / | / (+) (+) │ │ GND GND │ [Rin] │ GND
Fonction de transfert
Vout = – (Rf / Rin) × Vin
Facteur d'échelle K = –Rf / Rin
- |K| > 1 : Amplification (Rf > Rin).
- |K| = 1 : Inverseur gain unitaire (Rf = Rin).
- |K| < 1 : Atténuation (Rf < Rin).
Amplificateur d'échelle non-inverseur
Vout = (1 + Rf/Rg) × Vin (K ≥ 1 seulement). Pour K < 1, utiliser étage inverseur ou diviseur tension + suiveur.
Considérations de conception de précision
| Source d'erreur | Effet sur K | Atténuation |
|---|---|---|
| Tolérance résistances | ΔK/K ≈ ΔRf/Rf + ΔRin/Rin | Réseaux film mince 0,01 %–0,1 % ; paires appariées (ex. LT5400, INA159). |
| TCR résistances | Dérive gain avec température | TCR apparié (< 2 ppm/°C tracking) ; même substrat. |
| AOP VOS | Décalage sortie = VOS × (1 + K) | AOP chopper/zéro-dérive (LTC2057, ADA4522, OPA388) ; auto-zéro. |
| AOP IB / IOS | Tension décalage aux bornes Rf | Faible IB (JFET/CMOS) ; apparier Rin||Rf sur entrée +. |
| AOL fini | Erreur gain ≈ K / AOL | Haut AOL (> 120 dB) ; K faible ; ou AOP composite. |
| Bande passante / Vitesse de défilement | Gain chute haute f ; distortion haut dV/dt | GBP >> K × fsignal ; SR > 2πfVcrête. |
| CMRR / PSRR | Modulation gain par VCM / VCC | Fort CMRR/PSRR AOP ; découplage alimentation correct. |
Applications
- Conditionnement signaux capteurs : Thermocouple (mV → V), jauge contrainte (µV/V → V), photodiode (I → V avec échelle).
- Interface CAN/CNA : Adapter plage capteur à pleine échelle CAN (ex. 0–5 V → 0–3,3 V).
- Calcul analogique : Sommation, intégration, dérivation (avec C en retour).
- Commutation gain / Auto-range : Rf / Rin commutés pour extension plage dynamique.
- Réglage niveau audio/vidéo : Adaptation niveau ligne, contrôle volume (potentiomètre numérique en retour).
Solutions intégrées
- INA159 / INA159A : Amplificateur diff précision gain unitaire (résistances laser-trimmées).
- AD8275 / AD8276 : G = 1/5 ou 5, 1/10 ou 10, résistances internes.
- PGA (Amplificateur gain programmable) : PGA280, AD8250, LTC6910 — contrôle gain numérique.
- Potentiomètre numérique en retour : AD5270, MCP45xxx — échelle ajustable par µC.
Résumé
Un amplificateur d'échelle est un circuit ratio-métrique de précision. Sa précision dépend presque entièrement de l'appariement et suivi des résistances — pas de l'AOP. Pour précision maximale, utiliser réseaux résistances monolithiques ou blocs gain intégrés.