ElectroCard – Fiche de lecture
LB-21 — Instrumentational Amplifiers
Auteur : Hooman Hashemi
National Semiconductor — Juin 1973
Pourquoi ce Linear Brief est important
Ce vingt-et-unième Linear Brief présente une architecture originale d'amplificateur d'instrumentation à entrée flottante entièrement différentielle, conçue pour obtenir un taux de réjection du mode commun élevé sans réseau de résistances étroitement appairées.
Les transistors Q1 et Q2 du LM114 fonctionnent en boucle ouverte comme étage d'entrée. Ils convertissent la tension différentielle appliquée aux deux entrées en un courant différentiel au niveau de leurs collecteurs. Ce courant est ensuite appliqué à un amplificateur différentiel classique utilisant un LM118 afin d'obtenir une tension de sortie asymétrique.
Les sources de courant Q3 et Q4 fixent le courant de fonctionnement de la paire d'entrée. Leur polarisation à 1,22 V par la référence LM113 rend leur courant approximativement proportionnel à la température absolue et compense ainsi la variation thermique de la transconductance de Q1 et Q2.
Le montage permet de régler le gain à l'aide de la seule résistance R8. National Semiconductor annonce une plage allant d'un gain inférieur à 1 jusqu'à plus de 1000, avec un taux de réjection du mode commun d'environ 100 dB, pratiquement indépendant du gain.
Ce que l'on y apprend
• principe d'un amplificateur d'instrumentation à entrée flottante
• conversion d'une tension différentielle en un courant différentiel
• fonctionnement en boucle ouverte de la paire d'entrée Q1-Q2
• rôle des sources de courant Q3 et Q4
• compensation thermique de la transconductance de Q1 et Q2
• polarisation des sources de courant par une référence de 1,22 V
• rôle de la résistance de dégénérescence R8
• réglage du gain par une seule résistance
• conversion du courant différentiel en une tension de sortie asymétrique
• raison pour laquelle des résistances à 1 % sont suffisantes autour du LM118
• différence entre erreur ramenée à l'entrée et erreur ramenée à la sortie
• influence du désappairage des résistances sur le rejet du mode commun
• adaptation du montage à une faible valeur de courant de polarisation
• possibilité d'utiliser des sources de courant en cascade
• possibilité d'employer un étage d'entrée Darlington modifié
Les pépites techniques
• entrée entièrement différentielle et flottante
• plage de gain annoncée de moins de 1 à plus de 1000
• réglage du gain par la seule résistance R8
• taux de réjection du mode commun d'environ 100 dB, indépendant du gain
• linéarité du gain la moins favorable au gain unitaire : 0,4 %
• stabilité du gain meilleure que 1,5 % entre −55 °C et +125 °C
• stabilité typique du gain de 0,2 % entre 0 °C et +70 °C
• erreur de mode commun en sortie de 0,5 % pour un désappairage de 1 %
• erreur de mode commun en sortie de 0,05 % pour un désappairage de 0,1 %
• polarisation à 1,22 V des sources de courant Q3 et Q4
• courant de Q3 et Q4 réglé à environ deux fois le courant traversant R8 à la tension différentielle maximale
• transconductance de Q1 et Q2 compensée en température
• possibilité de multiplier toutes les résistances par 100 pour réduire le courant de polarisation
Les calculateurs ElectroCard réalisés
• Estimation du gain différentiel selon R6, R7, R8 et le courant d'émetteur de Q1-Q2.
• Calcul de la résistance dynamique re de Q1 et Q2 à 25 °C.
• Conversion automatique du gain V/V en décibels.
• Calcul de la tension de sortie selon la tension d'entrée différentielle.
• Estimation de l'erreur de mode commun selon la tension de mode commun et le désappairage des résistances.
• Gestion des unités Ω, kΩ, V, mV et µV.
Applications décrites
• Amplificateur d'instrumentation à large bande passante.
• Amplification de faibles tensions différentielles.
• Acquisition de signaux en présence d'une tension de mode commun élevée.
• Étage d'entrée d'un système de traitement du signal.
• Interface pour capteurs et transducteurs différentiels.
• Amplificateur à gain réglable par une seule résistance.
• Montage à faible courant de polarisation après adaptation des résistances.
Points de vigilance ElectroCard
• Le schéma original utilise un LM114 avec deux diodes 1N914 ; ces deux diodes doivent être conservées avec le LM114.
• National Semiconductor recommande de supprimer les deux diodes 1N914 uniquement lors du remplacement du LM114 par un LM194.
• La variante utilisant le LM194 n'avait pas été testée par l'auteur.
• Le LM114, le LM113 et le LM194 sont aujourd'hui obsolètes.
• Le LM118 reste référencé par Texas Instruments, mais principalement en version militaire sous boîtier métallique.
• Le LM185-1.2, proposé pour remplacer le LM113, et le LM318 sont toujours référencés en production.
• Le LM108 proposé dans le texte pour la variante à faible courant de polarisation est aujourd'hui obsolète.
• La LB21 ne fournit aucune valeur numérique pour R8.
• La LB21 ne précise pas le courant de repos exact de Q1 et Q2.
• Les valeurs initiales de R8 = 1 kΩ et IE = 1 mA utilisées dans le calculateur sont uniquement des exemples.
• Avec R6 = R7 = 100 kΩ, R8 = 1 kΩ et IE = 1 mA, le gain théorique approché est de 190,168 V/V, soit 45,58 dB.
• Pour une entrée différentielle de 10 mV avec ces valeurs, la sortie théorique est d'environ 1,9017 V.
• Le calculateur applique une approximation théorique et ne tient pas compte des dispersions, de la température, des limites de sortie ni des caractéristiques réelles des composants.
• Une reproduction moderne complète du montage demanderait une nouvelle étude de l'étage différentiel et une validation expérimentale.
Intérêt historique
Publié en juin 1973, ce Linear Brief illustre la recherche de solutions d'instrumentation performantes avant la généralisation des amplificateurs d'instrumentation monolithiques modernes. L'architecture proposée contourne le besoin de résistances très précisément appairées en séparant l'étage d'entrée différentiel de l'amplificateur de sortie.
La LB21 montre également l'importance accordée dès cette époque à la compensation thermique. La référence LM113 ne sert pas directement de référence de tension pour le signal : elle impose une polarisation de 1,22 V aux sources de courant afin que leur courant évolue avec la température absolue et compense la transconductance de la paire d'entrée.
Le montage conserve aujourd'hui un intérêt pédagogique pour comprendre les paires différentielles, les sources de courant, la dégénérescence d'émetteur, la compensation thermique et les mécanismes de réjection du mode commun.
Niveau
★★★☆☆
Avis ElectroCard
Un Linear Brief court mais techniquement dense, représentatif de l'inventivité analogique du début des années 1970. La LB21 réalise un véritable amplificateur d'instrumentation à partir d'une paire de transistors appairés, de sources de courant compensées en température et d'un amplificateur opérationnel rapide.
Le principal intérêt du montage réside dans son taux de réjection du mode commun d'environ 100 dB, annoncé comme indépendant du gain, sans exiger de réseau de résistances étroitement appairées. Le réglage du gain par la seule résistance R8 rend également l'architecture particulièrement élégante.
Pour ElectroCard Analog Archives, la LB21 mérite une édition Premium Interactive pour sa valeur historique et pédagogique. Le calculateur permet d'explorer la relation entre R6, R7, R8, la résistance dynamique des transistors, le gain et la tension différentielle de sortie, tout en rappelant que la valeur de R8 et le courant exact de Q1-Q2 ne sont pas fournis dans la publication originale.