ElectroCard – Fiche de lecture
LB-22 — Low Drift Amplifiers
Auteur : Hooman Hashemi
National Semiconductor — Juin 1973
Pourquoi ce Linear Brief est important
Ce vingt-deuxième Linear Brief explique pourquoi la dérive apparente d'un amplificateur de précision peut être très supérieure à sa dérive intrinsèque lorsqu'on travaille à l'échelle du microvolt.
La note montre que les principaux responsables ne sont pas toujours les circuits intégrés eux-mêmes, mais les gradients thermiques, les jonctions entre métaux différents, les courants d'air, les connecteurs, les résistances et leur implantation physique.
Une jonction entre deux métaux différents forme un thermocouple. Dans un montage à circuit intégré, on trouve au minimum du cuivre, de la soudure et du Kovar. Un faible écart de température entre ces matériaux peut produire une tension parasite de plusieurs microvolts, voire de plusieurs centaines de microvolts selon les métaux employés.
La LB22 décrit également les précautions nécessaires pour mesurer correctement une dérive très faible : maintenir le composant et les résistances de gain dans une enceinte isotherme, amplifier l'offset avant de traverser un connecteur, utiliser des résistances thermiquement stables et protéger le montage contre les courants d'air.
Ce que l'on y apprend
• différence entre dérive intrinsèque et dérive apparente
• origine thermoélectrique des tensions parasites
• effet des jonctions entre métaux différents
• influence des gradients thermiques sur les signaux de quelques microvolts
• rôle du cuivre, de la soudure et du Kovar dans les jonctions thermoélectriques
• importance de conserver les connexions d'entrée courtes et rapprochées
• influence directe des courants d'air sur la mesure de l'offset
• choix des résistances pour les montages de très haute précision
• intérêt des résistances bobinées en Evenohm ou en manganin
• importance de maintenir les deux extrémités d'une résistance à la même température
• effet du désaccord des coefficients de température sur le gain
• nécessité d'utiliser des résistances de même matériau ou à coefficients thermiques appairés
• relation théorique entre tension d'offset et dérive
• influence du réseau d'annulation d'offset sur la dérive
• différence entre les amplificateurs optimisés avec et sans réglage d'offset
• limites des méthodes classiques de mesure par étuve, sonde thermique ou fer à souder
• nécessité de maintenir le composant testé et les résistances de gain dans des conditions isothermes
• amplification de la tension d'offset avant son passage dans un connecteur
Les pépites techniques
• réduction des variations apparentes de ±5,0 µV à ±0,5 µV par simple protection contre les courants d'air
• erreur totale de 10 µV provoquée par les gradients thermiques dus aux mouvements d'air
• coefficient thermoélectrique d'environ 2,0 µV/°C pour l'Evenohm ou le manganin par rapport au cuivre
• sortie de 10 V pour une entrée de 10 mV et un gain de 1000
• erreur de 50 mV en sortie pour un désaccord thermique des résistances de 0,5 %
• erreur correspondante de 50 µV ramenée à l'entrée
• difficulté d'appairer thermiquement deux résistances dont les valeurs diffèrent d'un facteur 1000
• dérive théorique de 3,6 µV/°C pour chaque millivolt de tension d'offset
• différence de température pouvant atteindre 50 °C ou davantage aux bornes d'un connecteur
• gain exact du circuit de mesure : 1001 V/V avec deux résistances de 50 kΩ et une résistance de 100 Ω
• gain arrondi à ×1000 dans la figure originale
• amplification de l'offset dans l'enceinte isotherme avant le connecteur
Les calculateurs ElectroCard réalisés
• Calculateur du gain de mesure de l'offset selon les deux résistances de 50 kΩ et la résistance de 100 Ω.
• Mise en évidence du gain exact de 1001 V/V, arrondi à ×1000 dans la LB22.
• Calculateur de l'erreur thermoélectrique selon le coefficient en µV/°C et la différence de température.
• Calculateur de l'erreur en sortie due au désaccord thermique des résistances.
• Calcul de cette erreur ramenée à l'entrée.
• Calculateur de la dérive théorique selon la tension d'offset.
• Calcul de la variation totale d'offset sur une plage de température donnée.
• Gestion des unités Ω, kΩ, V, mV et µV.
Applications décrites
• Mesure de la dérive d'un amplificateur opérationnel de précision.
• Caractérisation d'une tension d'offset de quelques microvolts.
• Essai thermique d'un amplificateur dans une étuve.
• Instrumentation de très faible niveau.
• Amplificateurs pour thermocouples.
• Amplificateurs de ponts et de capteurs.
• Circuits de mesure de haute précision.
• Validation de résistances à faible coefficient de température.
• Étude de l'influence des connecteurs et des jonctions métalliques.
Points de vigilance ElectroCard
• Le composant représenté dans la figure 1 n'est pas identifié par National Semiconductor.
• Le LM725 est un composant emblématique cité dans le texte, mais il ne doit pas être présenté comme étant nécessairement l'amplificateur de la figure 1.
• Le LM725 est aujourd'hui obsolète.
• La dérive typique annoncée du LM725 est de 0,6 µV/°C, avec un CMRR d'environ 120 dB et un gain en boucle ouverte d'environ 3 × 10⁶.
• Pour les LM121 et LM725, le réglage d'offset peut améliorer la dérive.
• Pour certains LM741 ou LM308 sélectionnés sans réseau d'annulation, l'ajout d'un réglage d'offset peut modifier les courants internes et dégrader la dérive.
• Le réseau d'annulation doit utiliser des résistances et potentiomètres extrêmement stables.
• Les tensions thermoélectriques peuvent être supérieures à la dérive propre de l'amplificateur.
• Un connecteur ne doit pas transporter directement un signal non amplifié de quelques microvolts lorsque sa température n'est pas parfaitement homogène.
• Le composant testé et les résistances déterminant le gain doivent rester aussi isothermes que possible.
• Les deux extrémités d'une résistance doivent être maintenues à la même température.
• Les résistances de valeurs très différentes peuvent employer des matériaux différents et ne pas suivre les mêmes variations thermiques.
• Le gain exact de la figure 1 est théoriquement de 1001 V/V ; l'indication ×1000 est une approximation pratique.
• Les calculateurs appliquent les relations idéales de la note et ne modélisent pas les gradients réels, les courants de polarisation, le bruit ni les défauts de construction.
Intérêt historique
Publié en juin 1973, ce Linear Brief témoigne du niveau de précision déjà recherché avec les premiers amplificateurs opérationnels monolithiques à faible dérive. Alors que les courants de polarisation avaient été réduits de cinq ordres de grandeur en quelques années, les erreurs extérieures au circuit intégré devenaient dominantes.
La LB22 est particulièrement remarquable parce qu'elle déplace l'attention du composant vers l'ensemble du système de mesure. À l'échelle du microvolt, une résistance, une soudure, un connecteur ou un simple courant d'air peut produire une erreur plus importante que l'amplificateur lui-même.
Le principe du montage d'essai reste parfaitement actuel : le composant et son réseau de gain sont maintenus dans une enceinte isotherme, tandis que la tension d'offset est amplifiée avant de traverser le connecteur vers l'instrument de mesure situé à température ambiante.