Choisir l'amplificateur opérationnel de précision approprié pour simplifier la conception d'un circuit d'entrée analogique

Les concepteurs de circuits expérimentés savent que le temps passé à choisir soigneusement un amplificateur opérationnel spécifique pour un circuit d'entrée analogique ou un canal de signaux analogiques est du temps bien utilisé. Ce minuscule composant, qui ne comporte souvent que huit sorties, joue un rôle qui peut paraître modeste, mais qui est pourtant essentiel : amplifier, séparer et filtrer le signal de sortie faible et souvent fragile d'un capteur.

L'utilisation d'un amplificateur opérationnel approprié garantit des performances de canal de signaux adaptées aux objectifs et simplifie le traitement des signaux ainsi que les algorithmes d'analyse exécutés par la suite sur les signaux numérisés. En fournissant la bonne combinaison de spécifications concernant le gain, la plage d'entrée, le bruit, la stabilité et d'autres attributs, ce composant peut à lui seul réduire les efforts de débogage frustrants liés à la recherche d'erreurs insaisissables et d'incohérences au niveau des données.

Comme le soulignait souvent le regretté expert en circuits et en composants analogiques Bob Pease, « un bon amplificateur opérationnel vaut bien un millier de portes ». Il disait cela au sens propre comme au sens figuré : choisir le bon amplificateur opérationnel peut vous éviter bien des casse-tête dans l'univers numérique et dans le monde logiciel.

Choisir le « meilleur » amplificateur opérationnel pour un circuit d'entrée analogique constitue souvent un véritable défi, car les nombreuses spécifications de tout amplificateur opérationnel sont le fruit d'un équilibre entre différents compromis de conception. Ces attributs doivent être mis en parallèle avec l'importance relative que le concepteur accorde aux priorités de performances du projet. Heureusement, les nouveaux amplificateurs opérationnels réduisent ces compromis.

L'amplificateur opérationnel haute précision de 40 volts (V) à deux canaux ADA4510-2 d'Analog Devices est un bon exemple. Il offre un faible courant de polarisation d'entrée, une faible tension de décalage, une faible dérive de la tension de décalage, un faible bruit ainsi qu'une entrée et une sortie rail-à-rail dans un boîtier SOIC étroit à huit sorties. Il peut être utilisé à n'importe quel endroit de la chaîne de signaux, notamment pour la détection, la mise en forme et la commande de sortie (Figure 1).

Figure 1 : L'amplificateur opérationnel ADA4510-2 peut fournir des fonctionnalités de précision à de nombreux points critiques du circuit d'entrée analogique et tout au long de la chaîne de signaux. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce dispositif élimine une grande partie des difficultés rencontrées par les concepteurs lors de la sélection d'un amplificateur pour une chaîne de signaux. Même si les priorités des applications diffèrent, cet amplificateur opérationnel peut fournir des performances supérieures avec nombre d'entre elles, notamment les tests et les mesures électroniques, les systèmes d'acquisition de données, les équipements de tests automatisés, les instruments médicaux, les chaînes de signaux d'entrée multiplexés, les mesures de courant de précision et les amplificateurs à photodiode.

Une grande partie de ses performances améliorées est due à la technique DigiTrim propriétaire. DigiTrim corrige les éventuelles tensions et dérives de décalage provoquées par des contraintes mécaniques dues aux effets de l'assemblage et du conditionnement, en plus des caractéristiques de la puce nue déjà ajustées.

Grâce à cette technique brevetée, l'amplificateur opérationnel ADA4510-2 parvient à une faible dérive de décalage remarquable (valeur typique de ±70 nanovolts par degré Celsius [nV/°C], ±500 nV/°C maximum) et à une faible tension de décalage (valeur typique de ±5 microvolts [μV], ±20 μV maximum), simplifiant ainsi les étalonnages liés à la température dans les conceptions de précision. Par ailleurs, la fiche technique fournit les valeurs typiques ainsi que les spécifications minimales ou maximales (selon le cas) pour tous les paramètres critiques.

Configuration et protection

Avec de nombreux composants analogiques, en particulier les composants de précision comme l'amplificateur opérationnel ADA4510-2, l'examen minutieux des détails de configuration et autres subtilités est essentiel pour atteindre leur potentiel de performances. Comme l'ADA4510-2 présente des entrées à impédance extrêmement élevée, toute impédance shunt due à une résistance de fuite et à une capacité parasite dans la configuration de la carte à circuit imprimé entraînera une dégradation majeure des performances de son entrée basse polarisation. La fiche technique de l'ADA4510-2 fournit davantage de détails.

La fiche technique souligne qu'une protection contre le courant de fuite parasite peut être nécessaire en réduisant le gradient de tension au niveau du nœud d'entrée. Cette protection est une technique établie qui consiste à créer un conducteur à faible impédance autour d'un nœud à impédance élevée et à l'amener à la tension de ce nœud. Cette technique permet de créer un tampon pour le courant de fuite en le déviant du nœud sensible vers la protection à faible impédance (Figure 2).

Figure 2 : La protection est une technique utilisée pour réduire les effets néfastes de la fuite de courant au niveau d'une entrée à haute impédance. L'image du haut illustre le concept de protection à l'aide d'un schéma, tandis que l'image du bas montre l'implémentation de la configuration de la protection sur un circuit imprimé. (Source de l'image : Analog Devices)

Passer aux choses pratiques avec une carte d'évaluation

Plutôt que de passer du temps à concevoir votre propre configuration de test pour savoir si l'ADA4510-2 est adapté à votre application, l'utilisation d'une carte d'évaluation optimisée proposée par le fournisseur permet de gagner du temps et d'obtenir de meilleures performances. Dans cette optique, Analog Devices propose la carte EVAL-ADA4510-2ARZ (Figure 3). Cette conception compacte utilise des composants à montage en surface (CMS) au format de boîtier standard 0603 (0,06 po × 0,03 po), à l'exception des condensateurs de découplage et des résistances de terminaison.

Figure 3 : La carte d'évaluation EVAL-ADA4510-2ARZ est un outil compact, pratique et optimisé pour tester l'amplificateur opérationnel ADA4510-2 et évaluer ses caractéristiques dans une application cible. (Source de l'image : Analog Devices)

Cette carte d'évaluation comporte plusieurs empreintes vides pour des résistances et des condensateurs, offrant ainsi à l'utilisateur différentes options et plus de flexibilité pour implémenter différents circuits axés sur l'application. Elle peut également accueillir des capteurs à photodiode, ce qui permet de configurer facilement un amplificateur d'adaptation d'impédance. La configuration inclut une protection pour garantir les faibles valeurs de fuite et de capacité parasite requises pour les applications d'amplificateur d'adaptation d'impédance.

La carte intègre des connecteurs SMA montés en périphérie pour simplifier la connexion à des équipements de test et à d'autres circuits. Le guide de l'utilisateur UG-2133 de sept pages contient des informations de configuration, un schéma, un modèle de configuration de circuit imprimé pour les faces supérieure et inférieure, ainsi qu'une nomenclature des composants pour les concepteurs qui veulent l'utiliser comme guide de conception.

Conclusion

Lors de la conception d'un circuit d'entrée analogique hautes performances, il est essentiel de choisir le bon amplificateur opérationnel. L'utilisation d'un amplificateur opérationnel de précision comme l'ADA4510-2 avec sa technologie d'ajustement propriétaire réduit le bruit et la dérive de la chaîne de signaux susceptibles de dégrader les performances.

Contenu connexe (d'Analog Devices)

• Fiche technique de l'ADA4510-2

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ada4510-2.pdf

• Guide de l'utilisateur UG-2133 EVAL-ADA4510-2ARZ

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/eval-ada4510-2-ug-2133.pdf

• Engineer Zone, sur les techniques de protection

https://ez.analog.com/amplifiers/w/documents/25819/guarding-techniques

• Note d'application AN-347 sur le blindage et la protection

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/41727248AN_347.pdf

• Note technique sur la configuration des amplificateurs opérationnels de précision

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/layout-for-precision-op-amps.html