Un amplificateur d'instrumentation (INA) est un bloc de gain précis, boucle fermée, à entrée différentielle et (généralement) sortie simple, optimisé pour rejet mode commun élevé (CMRR), impédance d'entrée élevée, et dérive/décalage faibles. C'est l'étage d'entrée standard pour interfaces capteurs (pont, thermocouple, RTD, EEG, ECG).
Avantages
1. Rejet mode commun exceptionnel (CMRR)
- Typique : 90–130 dB (CC–60 Hz), 80–100 dB à 1 kHz.
- Mécanisme : Topologie 3 AOP (ou 2 AOP / rétroaction courant indirect) rejette symétriquement VCM tout en amplifiant VDIFF.
- Critique pour : Capteurs pont (jauge contrainte, pression) où VCM ≈ VCC/2 (2,5 V) et VDIFF = 10–100 mV.
2. Impédance d'entrée très élevée (Zin > 1 GΩ || < 10 pF)
- Buffers non-inverseurs sur chaque entrée → pas de charge sources haute impédance (électrodes pH, piézo, ponts haute valeur).
- Élimine besoin amplificateurs tampons séparés.
3. Réglage gain précis (1 résistance ou numérique)
- 3 AOP classique : G = 1 + (2R/RG). Une RG externe règle gain 1–10 000.
- Programmable numériquement (ex: AD8253, PGA281) : G = 1, 2, 4, 8… 1024 via SPI/I²C.
- Précision gain : 0,01–0,1 % (vs 1–5 % pour AOP diff discret).
- Dérive gain : 1–5 ppm/°C (résistances internes appariées ratio).
4. Tension offset & dérive faibles
| Paramètre | AOP usage général | INA précision (ex: AD8429, INA828) |
|---|
| VOS (max) | 1–5 mV | 10–50 µV |
| TCVOS | 5–15 µV/°C | 0,1–0,5 µV/°C |
| IB | 10–100 nA | 0,1–5 nA (entrée JFET/CMOS) |
5. Options sortie différentielle (INA modernes)
- Dispositifs comme AD8475, INA849, PGA900 fournissent vraie sortie différentielle → pilote ADC différentiel directement, rejette rebond masse, double dynamique.
6. Fonctions intégrées
- Broche référence (décalage niveau), arrêt, détection défaut, filtre RFI (AD8226), durcissement EMI.
Inconvénients & compromis
1. Coût plus élevé
- 0,50–5,00 $ (vs 0,10–0,50 $ pour double AOP). Justifié par résistances ajustées, appariement niveau wafer laser, temps test.
2. Bande passante limitée vs gain
- Produit Gain-Bande Passante (GBP) fixe. G=100 → BP = GBP/100.
- Typique : 1–5 MHz GBP → 10–50 kHz à G=100. Pas pour RF/IF.
- INA haute vitesse (ex: AD8429: 34 MHz GBP) coûtent plus.
3. Contraintes plage mode commun entrée (VCM)
- 3 AOP classique : Plage VCM rétrécit quand gain augmente (diagramme losange).
- Rétroaction courant indirect (ex: AD8237, INA333) : Entrée rail-à-rail et sortie, mais CMRR plus bas gain élevé.
- Doit vérifier diagramme losange dans datasheet pour votre VCM, Gain, VS.
4. Bruit : Pas toujours inférieur aux meilleurs AOP
- Bruit tension : 4–10 nV/√Hz (typique). Meilleurs AOP : 0,9 nV/√Hz (ADA4627).
- Bruit courant : Entrées JFET/CMOS INA ont faible In — bon pour sources haute Z.
- À gain élevé, bruit tension domine → INA comparable meilleurs AOP.
5. Consommation
- 3 AOP : 0,5–2 mA repos. INA micropuissance (INA333, AD8237) : 20–50 µA — mais GBP/CMRR plus bas.
6. Taille boîtier & nombre broches
- 8–16 broches (vs 8 pour double AOP). Peut nécessiter plus de surface PCB.
Quand utiliser INA vs AOP amplificateur diff
| Utiliser INA quand | Utiliser AOP diff quand |
|---|
| Capteur pont (contrainte, pression, cellule charge) | Simple décalage niveau, gain < 10 |
| CMRR élevé requis (> 80 dB) | Coût critique, performance adéquate |
| Source haute Z (> 100 kΩ) | Large bande passante (> 1 MHz au gain) |
| Gain précis (précision 0,1 %) | Alimentation simple, rail-à-rail I/O requis |
| Dérive critique (µV/°C) | Sortie différentielle non nécessaire |
Meilleurs INA par catégorie (2024)
| Catégorie | Dispositif | Spec clé |
|---|
| Meilleur précision globale | AD8429 (Analog Devices) | 0,1 µV/°C, 34 MHz GBP, 100 dB CMRR |
| Micropuissance / Batterie | INA333 (TI) / AD8237 (ADI) | 25 µA, 500 kHz GBP, 90 dB CMRR |
| Faible coût / Grand volume | INA321 / INA322 (TI) | 0,45 $, 1,2 MHz, 94 dB CMRR |
| Haute tension (±18 V) | INA828 / AD8221 | 36 V alimentation, 5 nV/√Hz, 100 dB CMRR |
| Programmable numériquement | PGA281 (TI) / AD8253 (ADI) | G=1–1024, SPI, 1 ppm/°C dérive gain |
| Sortie différentielle | AD8475 / INA849 | Pilote ADC SAR directement |
Les INA sont le bon outil pour détection différentielle précise. Choisir selon plage VCM, gain, bande passante, puissance, budget — toujours vérifier le diagramme losange.
