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LB-37 — AMPÈREMÈTRE POUR FAIBLES COURANTS
National Semiconductor — Linear Brief 37
Auteur : non indiqué
Publication originale : date non indiquée — vers 1976/1977
Référence National Semiconductor : TL/H/8486
Référence Texas Instruments : aucun numéro SNOA identifié
Traduction française ElectroCard — EC-LB37-FR

1. OBJECTIF
La LB-37 décrit un ampèremètre capable de mesurer des courants compris entre 100 pA et 100 µA.
Le montage évite les résistances de transimpédance de plusieurs centaines ou milliers de mégohms en utilisant les caractéristiques exponentielles de deux transistors bipolaires appariés.
La précision annoncée est meilleure que 1 % sur la majeure partie de la gamme. Elle dépend principalement :
- du courant de polarisation du LM216A ;
- de l’appariement thermique de Q1 et Q2 ;
- de la précision du diviseur de calibres ;
- des courants de fuite du montage.

2. AMPLIFICATEUR D’ENTRÉE
A1 est un amplificateur opérationnel bipolaire LM216A à très faible courant d’entrée.
Son courant de polarisation typique de 20 pA limite la mesure minimale à environ 100 pA.
L’entrée non-inverseuse est reliée à la masse. La contre-réaction maintient l’entrée inverseuse à une masse virtuelle, ce qui limite la chute de tension introduite par l’ampèremètre à quelques millivolts.

3. CONVERSION LOGARITHMIQUE
Q1, l’un des transistors appariés du LM114A, est utilisé dans la boucle de contre-réaction de A1.
L’amplificateur force son courant de collecteur à devenir égal au courant mesuré :
IC1 = IENTRÉE
La tension base-émetteur de Q1 devient alors proportionnelle au logarithme du courant :
VBE1 ∝ ln(IENTRÉE)
Cette conversion permet de traiter une très grande dynamique de courant sans employer de résistance de très forte valeur.

4. CONVERSION ANTILOGARITHMIQUE
Q2 est le second transistor apparié du LM114A.
Il reçoit le signal d’émetteur de Q1, tandis que sa tension de base est décalée par le commutateur S1.
Le rapport des courants est donné par :
IC2/IC1 = exp(q x ΔVBE / kT)
Q2 effectue ainsi la conversion antilogarithmique et multiplie le courant d’entrée par un facteur sélectionné avec S1.
Le courant de collecteur de Q2 traverse directement le galvanomètre de 100 µA.

5. CHANGEMENT DE CALIBRE
À 25 °C, la tension nécessaire pour multiplier un courant par 10 vaut :
ΔVBE = (kT/q) x ln(10)
ΔVBE ≈ 59,5 mV par décade
Les résistances R6 à R11, toutes égales à 511 Ω, produisent des pas de tension constants.
Le commutateur S1 sélectionne sept positions couvrant six décades :
- 100 µA : multiplication x1 ;
- 10 µA : multiplication x10 ;
- 1 µA : multiplication x100 ;
- 100 nA : multiplication x1 000 ;
- 10 nA : multiplication x10 000 ;
- 1 nA : multiplication x100 000 ;
- 100 pA : multiplication x1 000 000.
Pour chaque calibre, le courant de Q2 atteint 100 µA à la pleine échelle.

6. COMPENSATION THERMIQUE
La tension de 59,5 mV par décade varie proportionnellement à la température absolue.
La référence LM113 de 1,22 V, le transistor Q3 de type 2N2222 et les résistances R4-R5 produisent une polarisation approximativement proportionnelle à la température absolue.
Le facteur de multiplication reste ainsi relativement constant lorsque la température varie.
R4 est réglée avec :
- S1 sur le calibre 1 µA ;
- un courant d’entrée précis de 1 µA ;
- le galvanomètre ajusté à sa pleine échelle de 100 µA.

7. COMPENSATION FRÉQUENTIELLE
C1, C2 et R2 constituent un réseau de compensation en T ajouté à la boucle logarithmique.
Valeurs :
- C1 : 100 pF ;
- C2 : 2 µF ;
- R2 : 2,4 MΩ.
Comme C2 est très supérieure à C1, la capacité équivalente aux fréquences élevées reste voisine de 100 pF.
La fréquence caractéristique du réseau est approximativement :
fc = 1 / [2π x R2 x (C1 + C2)]
fc ≈ 0,033 Hz
La constante de temps R2 x C2 vaut environ 4,8 secondes. Le montage est donc volontairement lent sur les calibres les plus sensibles afin de réduire le bruit et de maintenir la stabilité.

8. PRINCIPAUX COMPOSANTS
A1           LM216A, amplificateur à très faible courant d’entrée
Q1, Q2       LM114A, paire de transistors appariés
Q3           2N2222
D1           1N914
D2           LM113, référence de tension 1,22 V
M            Galvanomètre 100 µA pleine échelle
S1           Commutateur à sept positions
Alimentation +15 V
Le texte original contient vraisemblablement une coquille : il indique « en isolant IC3 », alors que l’équation détermine bien IC2.

9. PRÉCAUTIONS DE RÉALISATION
Sur le calibre 100 pA, un courant de polarisation de 20 pA représente déjà 20 % de la pleine échelle avant compensation.
À ces niveaux, le circuit imprimé et les connexions deviennent des composants du système de mesure.
Une réalisation pratique impose :
- un nettoyage rigoureux des résidus de flux ;
- des isolants présentant une très forte résistance ;
- des connexions courtes et blindées ;
- des pistes de garde au potentiel de l’entrée ;
- une protection contre l’humidité et les courants d’air ;
- un excellent couplage thermique entre Q1 et Q2.

10. DISPONIBILITÉ ET CONCLUSION ELECTROCARD
Le LM216A, le LM114A et le LM113 sont aujourd’hui obsolètes et difficiles à trouver.
Une reconstruction moderne nécessiterait une nouvelle étude autour d’un amplificateur électrométrique ou à très faible courant de polarisation. Il ne s’agit pas d’un simple remplacement composant par composant.
La LB-37 reste remarquable : elle exploite les caractéristiques logarithmiques naturelles de transistors bipolaires pour couvrir six décades de courant avec un seul réglage d’étalonnage et sans résistance extrême.