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LB-32 — COMPARATEUR AU MICROVOLT
National Semiconductor — Linear Brief 32
Auteur : Hooman Hashemi
Publication originale : juin 1976
Réédition numérique : 2002/2003
Référence Texas Instruments : SNOA858
Traduction française ElectroCard — EC-LB32-1976 FR

1. OBJECTIF
La LB-32 décrit un comparateur capable de distinguer des niveaux continus ne différant que de quelques microvolts.
Le montage utilise deux circuits séparés :
- un LM121A comme préamplificateur à très faible dérive ;
- un LM111 comme comparateur de sortie.
Cette séparation réduit le bruit et empêche les variations thermiques produites par la commutation du LM111 de perturber l’étage d’entrée.

2. PRINCIPALES PERFORMANCES
- Gain total en tension : environ 10 millions
- Gain du préamplificateur LM121A : environ 100
- Dérive maximale de la tension de décalage : 0,22 µV/°C
- Hystérésis normale : 5 µV
- Hystérésis minimale réglable : environ 1 µV
- Réjection du mode commun du LM121A : supérieure à 120 dB

3. PRÉAMPLIFICATEUR LM121A
Le LM121A fonctionne avec un gain en boucle ouverte voisin de 100 et stable en température.
Son impédance de sortie, voisine de 100 kΩ, est shuntée par le condensateur Cs afin de réduire le bruit interne et les perturbations captées.
Aucune contre-réaction n’est appliquée aux entrées du LM121A. Cela évite de dégrader la réjection du mode commun.
Le gain de 100 réduit dans la même proportion l’influence de la tension de décalage et des autres erreurs du LM111.
Les deux circuits sont placés dans des boîtiers séparés. Les gradients thermiques produits dans le LM111 lorsqu’il commute une charge ne se transmettent donc pas directement au préamplificateur.
Une différence de température de seulement 1/1000 °C à travers un étage d’entrée unique pourrait déjà produire une erreur significative.

4. FILTRAGE
Sans filtrage, le préamplificateur et le comparateur peuvent produire une succession d’impulsions très rapides.
Ces impulsions sont provoquées par :
- le bruit thermique ;
- le couplage parasite entre la sortie et l’entrée ;
- les transitoires produits par les alimentations ;
- les parasites des éclairages fluorescents ;
- les perturbations captées dans l’environnement.
Le condensateur Cs filtre le signal à la sortie du LM121A.
Cs est placé à l’extérieur de la boucle de réaction positive. Cette disposition évite les oscillations pendant les transitions lentes et améliore le temps de réponse aux petits signaux.
Le condensateur Cf élimine les parasites haute fréquence captés entre les broches 5 et 6 du LM111.

5. HYSTÉRÉSIS ET RÉACTION POSITIVE
La réaction positive garantit des changements d’état rapides et francs.
Elle est produite par le pont 5,1 kΩ / 33 Ω associé à la résistance RH.
Le signal de réaction est appliqué à la broche d’équilibrage 5 du LM111. Il introduit un petit décalage continu correspondant à quelques microvolts d’accrochage.
Pour obtenir une hystérésis proche de 1 µV :
- régler RH à environ 300 kΩ ;
- utiliser Cs entre 0,01 µF et 0,1 µF ;
- utiliser une source de signal à faible impédance.

6. DÉLAIS TYPIQUES
Réglage de l’hystérésis : 5 µV
RH : 75 kΩ
RS : 10 kΩ maximum
Cs : 6800 pF
Délais selon la surtension d’entrée :
- 25 % : 2 ms
- 100 % : 1,8 ms
- 1000 % : 600 µs
- 100 mV : 560 µs
Le temps de réponse diminue lorsque la surtension d’entrée augmente.

7. PRÉCAUTIONS POUR LES SIGNAUX AU MICROVOLT
À ce niveau de sensibilité, les connexions et l’environnement font partie intégrante du circuit.
Une jonction thermoélectrique entre une broche en Kovar et une piste en cuivre peut produire environ 3,5 µV d’erreur pour seulement 0,1 °C de différence entre les entrées.
Une variation de 1 V de la tension de mode commun peut produire jusqu’à 1 µV d’erreur, malgré une réjection supérieure à 120 dB.
Les vibrations du câble de la sonde peuvent également produire un signal parasite par effet microphonique.
Recommandations :
- réaliser une implantation compacte ;
- protéger les entrées contre les courants d’air ;
- utiliser des conducteurs courts, rigides et symétriques ;
- employer des câbles blindés de faible capacité ;
- utiliser une source équilibrée par rapport à la masse si possible ;
- employer des composants appariés à faible coefficient de température ;
- supprimer les boucles de masse ;
- éloigner les entrées des sources de chaleur et des circuits de puissance.

8. APPLICATIONS
Le comparateur au microvolt peut être utilisé avec des thermocouples ou des jauges de contrainte.
Applications citées :
- indicateurs de vitesse du vent ;
- convertisseurs de valeur efficace vers tension continue ;
- jauges à vide ;
- analyseurs de gaz ;
- conductimètres ;
- commandes à fil chaud ;
- essais de matériaux ;
- pesage électronique ;
- capteurs de pression ;
- limiteurs de charge pour grues, palans et laminoirs ;
- capteurs à effet Hall ;
- bolomètres ;
- thermopiles de mesure du flux thermique ;
- contrôle de faibles résistances ;
- contrôle des contacts d’interrupteurs et de relais ;
- contrôle des sondes RTD, bobinages et fusibles.
Avec des thermocouples de types E, J, T ou K, un différentiel marche-arrêt de 1/8 °C ou moins peut être obtenu.

9. DISPONIBILITÉ DU LM121A
Le LM121A est aujourd’hui obsolète et difficilement disponible. Texas Instruments ne propose aucun remplacement direct broche à broche.
Une reconstruction moderne nécessite de redessiner le préamplificateur autour d’un amplificateur zéro-dérive, par exemple un OPA189 ou un OPA188.
Le gain, le réglage du décalage, le filtrage et la compensation doivent alors être recalculés. Ces composants ne constituent pas des équivalents fonctionnels directs du LM121A.

10. CONCLUSION ELECTROCARD
La LB-32 montre qu’une mesure au microvolt ne dépend pas uniquement des performances des circuits intégrés.
Les gradients thermiques, les matériaux des connexions, les courants d’air, les vibrations, le blindage et les boucles de masse deviennent des paramètres électriques essentiels.
Ce montage est aujourd’hui surtout intéressant comme architecture historique et comme exemple de conception analogique de très haute sensibilité.