Amplificateur d'instrumentation : But, specs clés & pourquoi ce n'est pas juste un ampli-op
Amplificateur d'instrumentation : But, specs clés & pourquoi ce n'est pas juste un ampli-op
Un Amplificateur d'instrumentation (InAmp) est un bloc de gain différentiel de précision, boucle fermée optimisé pour extraire de petits signaux différentiels de grandes tensions de mode commun en environnements bruités, haute impédance. C'est l'étage d'entrée standard pour capteurs.
L'inférence fondamentale : Pourquoi il existe
Un InAmp fournit un gain différentiel élevé avec rejet mode commun quasi-infini, impédance d'entrée extrême, et faible bruit/dérive — le tout sans exiger d'appariement de résistances de précision par l'utilisateur.
Architecture : Topologie 3 ampli-ops (Classique)
Vin+ ──►|+ |──► Vout RG │ InAmp │ Vin- ──►|- | (Gain = 1 + 2R/RG)
- Étage 1 (Tampon entrée) : Deux ampli-ops non-inverseurs (A1, A2). Fournissent Zin énorme (10¹⁰–10¹² Ω). Gain fixé par RG entre leurs entrées inverseuses. Signal amplifié différemment ; signal MC passe à gain unitaire.
- Étage 2 (Ampli diff) : A3 soustrait les sorties. Rejette le Mode Commun. Sortie référencée à broche Ref (généralement Masse).
- Intégration monolithique : Résistances laser-trimées sur silicium → CMRR 100–140 dB, Erreur gain <0,01%, Dérive temp <1 ppm/°C. Ampli-op discret + résistances 0,01% peinent à atteindre 80 dB CMRR.
Spécifications critiques (Décodeur datasheet)
| Spec | Plage typique (Bon InAmp) | Pourquoi c'est important |
|---|---|---|
| CMRR (CC–60Hz) | 100–140 dB | Rejette boucles masse 50/60Hz, bruit variateurs. CMRR(f) décroît — vérifiez courbe ! |
| Courant polarisation entrée (IB) | 1 pA – 10 nA (JFET/CMOS) | Faible IB → faible erreur offset sur sources haute Z (pH, piézo, ponts haute R). |
| Tension offset entrée (VOS) & Dérive | <25 µV, <0,2 µV/°C | Ajoute directement à l'erreur mesure. Chopper-stabilisé (zero-drift) meilleur pour signaux µV. |
| Bruit tension entrée (en) | 5–20 nV/√Hz @ 1kHz | Définit plancher bruit. Critique pour ponts bas niveau (cellules charge, jauges contrainte). |
| Plage gain / Équation | 1–10 000 (G = 1 + 49,4k/RG) | Une résistance unique règle le gain. Pas d'appariement nécessaire. |
| Plage tension mode commun entrée vs Alim | Entrée Rail-à-Rail (RRIO) dispo. | Doit accommoder tension mode commun capteur (ex. pont à VCC/2). |
| Vitesse montée / BP | 0,5–10 V/µs, 100kHz–3MHz (G=1) | BP diminue avec Gain (produit GBW). |
InAmp vs Ampli-op vs Ampli diff
| Topologie | Zin (Diff/MC) | CMRR | Réglage gain | Cas d'usage |
|---|---|---|---|---|
| Ampli-op (Config diff) | Faible (R₁, R₂) | Faible (Limité appariement R) | 4 Résistances (Appariement critique) | Zin haute pas nécessaire, haut BP, bas coût. |
| Ampli diff (ex. INA146) | Fixée (100k–1M) | Bonne (80–90 dB, trimmée) | Fixée (Unitaire ou réglée) | Haute tension mode commun (mesure courant bus), gain fixe. |
| Ampli Instrumentation | Très Haute / Très Haute | Excellente (100+ dB) | 1 Résistance (RG) | Capteurs précision (Pont, Thermocouple, RTD, Bio-potentiel). |
Applications classiques
- Jauge contrainte / Cellule charge / Capteur pression : Pont Wheatstone (sortie mV/V). InAmp amplifie 100–1000x.
- Thermocouple (avec Compensation Jonction Froide) : µV/°C. InAmp chopper (AD842x, INA333, MCP6N11) pour dérive nulle.
- RTD (Pt100/Pt1000) : Excitation 3/4 fils. InAmp mesure Vdiff aux bornes élément.
- Médical (ECG, EEG, EMG) : Signaux µV, MC élevé (corps), sécurité patient (isolation). InAmps spécialisés (AD8232, INA333).
- Moniteur shunt courant (Low-Side/High-Side) : InAmps spécialisés (INA180, INA240) avec plage CM étendue (–0,3V à +80V).
Pièges courants
- ❌ Entrées flottantes : Entrées InAmp *doivent* avoir chemin polarisation CC vers masse (Rbias 1M–10M) si capteur flottant (thermocouple, pont isolé).
- ❌ Dépasser plage mode commun entrée : InAmp Entrée Rail-à-Rail (RRI) nécessaire si capteur près rails.
- ❌ Ignorer CMRR vs Fréquence : 120 dB à CC ≠ 120 dB à 1 kHz. Vérifiez courbe pour votre spectre bruit.
- ❌ Gain trop haut → BP trop bas : G=1000 → BP ≈ 1–10 kHz. Peut filtrer dynamiques signal.
- ❌ Impédance broche Ref : Broche Ref *doit* être pilotée par source faible Z (<1Ω). Pas de pont diviseur !
Résumé : L'InAmp est l'outil spécialisé pour détection différentielle de précision. Il résout le problème « Zin haute + CMRR haute + dérive faible + gain facile » que les ampli-ops discrets ne peuvent résoudre simultanément sans coût/complexité extrêmes.