ElectroCard – Fiche de lecture
LB-20 — A Fully Differential Input Voltage Amplifier
Auteur : non indiqué dans la publication officielle
National Semiconductor — Décembre 1972
Pourquoi ce Linear Brief est important
Ce vingtième Linear Brief présente une méthode originale de réalisation d'un amplificateur d'instrumentation entièrement différentiel à partir du LM3900, amplificateur Norton quadruple à différenciation de courants.
Le montage permet d'amplifier de faibles signaux différentiels, de l'ordre du millivolt, pouvant être superposés à une tension de mode commun élevée et provenant d'une source de forte impédance supérieure à 2 kΩ.
La note montre comment les transistors d'entrée Q1 et Q2 transforment la tension différentielle en deux variations de courant opposées. Le miroir de courant de l'entrée non-inverseuse du LM3900 permet ensuite d'additionner ces variations et d'obtenir un courant total égal à 2ΔI dans la résistance de contre-réaction R3.
La même architecture est ensuite appliquée à un pont de transducteurs. Les amplificateurs encore disponibles dans le LM3900 réalisent les sources de polarisation, la régulation du courant du pont et le réglage du décalage de sortie.
Ce que l'on y apprend
• principe d'un amplificateur Norton à différenciation de courants
• différence entre un LM3900 et un amplificateur opérationnel classique à entrées en tension
• conversion d'une tension différentielle en deux variations de courant opposées
• fonctionnement du miroir de courant de l'entrée non-inverseuse
• addition des courants d'entrée dans le nœud inverseur
• détermination du gain par une seule résistance
• obtention du gain unitaire pour R1 = 2R3
• possibilité de couper le signal sans modifier la polarisation continue de sortie
• réalisation des sources de courant de Q1 et Q2 avec un transistor double
• réglage du décalage de sortie
• procédure d'annulation des décalages de Q1-Q2 et Q3-Q4
• polarisation d'un pont de transducteurs par une source de courant constant
• utilisation des quatre amplificateurs indépendants du LM3900
• réponse en fréquence du montage selon le gain
Les pépites techniques
• variation du courant d'entrée ΔI = ΔVIN/R1
• variation de sortie ΔVO = 2ΔI × R3
• relation fondamentale de gain AV = 2R3/R1
• calcul inverse de la résistance R1 = 2R3/AV
• gain unitaire obtenu pour R1 = 2R3
• gain minimal et atténuation maximale lorsque R1 est omise
• plage de gain annoncée de −34 dB à +72 dB
• taux de réjection du mode commun de 115 dB à 10 Hz pour un gain de 1000
• courant de polarisation de 200 nA sur chaque entrée
• décalage de sortie réglable à zéro
• bruit de sortie de 12 mV efficaces en boucle ouverte
• bruit de sortie de 3 mV efficaces pour ACL = 66 dB
• réponse aux petits signaux à −3 dB de 1 MHz pour un gain de 1000
• réponse aux petits signaux à −3 dB de 3 MHz pour un gain unitaire
• emploi d'un seul amplificateur supplémentaire et d'une résistance pour polariser le pont de transducteurs
Les calculateurs ElectroCard réalisés
• Calculateur du gain différentiel selon R1 et R3.
• Conversion automatique du gain en décibels.
• Calculateur de la tension de sortie différentielle selon ΔVIN et le gain.
• Calculateur de R1 selon R3 et le gain souhaité.
• Gestion des unités Ω, kΩ et MΩ.
• Gestion des unités V, mV et µV.
Applications décrites
• Amplificateur d'instrumentation entièrement différentiel.
• Amplification de faibles signaux de l'ordre du millivolt.
• Amplification d'un signal différentiel superposé à une tension de mode commun élevée.
• Interface pour source de forte impédance supérieure à 2 kΩ.
• Amplificateur pour pont de transducteurs.
• Pont de jauges de contrainte.
• Transducteur de pression.
• Thermocouple.
• Source de polarisation à courant constant pour capteur en pont.
Points de vigilance ElectroCard
• Le LM3900 est un amplificateur Norton à différenciation de courants et non un amplificateur opérationnel conventionnel à entrées en tension.
• Le LM3900 ne doit pas être considéré comme un substitut direct à un amplificateur opérationnel classique.
• L'impédance et le gain d'entrée dépendent fortement des résistances extérieures.
• Le gain AV = 2R3/R1 suppose que les courants des transistors Q1 et Q2 sont correctement appariés.
• Les deux sources de courant de polarisation de Q1 et Q2 doivent être équilibrées pour limiter le décalage.
• Les réglages du décalage dû à Q1-Q2 et du décalage dû à Q3-Q4 interagissent et doivent être répétés plusieurs fois.
• Lorsque R1 = 0, l'amplificateur fonctionne en boucle ouverte ; cette condition sert à la procédure de réglage et non au fonctionnement linéaire normal.
• Lorsque R1 = ∞, le signal est fortement atténué mais la polarisation continue de sortie est conservée.
• Les valeurs de bruit annoncées sont des valeurs efficaces et doivent être associées aux conditions de gain indiquées.
• Les performances publiées sont typiques et correspondent au montage de la note, pas au LM3900 utilisé seul.
• Le LM2900 est la version caractérisée de −40 °C à +85 °C ; le LM3900 est caractérisé de 0 °C à +70 °C.
• Les calculateurs associés appliquent les équations idéales de la note et ne tiennent pas compte des dispersions des transistors, des résistances, de la température ni des limites de sortie.
Intérêt historique
Publié en décembre 1972, ce Linear Brief illustre l'une des premières exploitations du LM3900, introduit la même année par National Semiconductor. Il montre comment le fonctionnement inhabituel de ses entrées en courant permet de réaliser simplement des fonctions qui nécessiteraient habituellement plusieurs amplificateurs opérationnels conventionnels.
La LB20 est également représentative d'une période où les circuits intégrés analogiques étaient conçus pour exploiter au maximum chaque amplificateur disponible. Les quatre sections du LM3900 sont ici utilisées pour l'amplification différentielle, les sources de courant, la régulation du pont et la polarisation du transducteur.
Le principe reste pédagogiquement intéressant pour comprendre les amplificateurs Norton, les miroirs de courant et la différence fondamentale entre traitement en tension et traitement en courant.
Niveau
★★★☆☆
Avis ElectroCard
Un Linear Brief court mais très caractéristique de l'inventivité analogique du début des années 1970. La LB20 exploite intelligemment le miroir de courant du LM3900 pour transformer deux courants de collecteur opposés en un courant différentiel total égal à 2ΔI. Le gain AV = 2R3/R1 devient alors particulièrement simple à calculer et à régler.
Le montage pour pont de transducteurs est techniquement élégant, car les quatre amplificateurs du LM3900 sont utilisés de façon complémentaire. La procédure de réglage du décalage montre toutefois que cette simplicité apparente exige un bon appariement des transistors et plusieurs ajustements successifs.
Pour ElectroCard Analog Archives, la LB20 mérite une édition Premium Interactive pour sa valeur historique et pédagogique. Les calculateurs permettent d'explorer immédiatement la relation entre R1, R3, le gain et la tension différentielle de sortie, tout en rappelant que le LM3900 fonctionne selon un principe Norton très différent de celui d'un amplificateur opérationnel conventionnel.