Brevet FR2223896A1 — publié le 19741025

L'invention concerne les amplificateurs de tensions électriques @ol@risées, et particulièrement un amplificateur pour la mesure d'au moins une grandeur physique transformée en tension électrique par un transducteur. Dans les dispositifs de mesure industrielle ou scientifique, il est courant @'utiliser des amplificateurs, généralement à @emi-conducteurs, présentant deux entrées de polarités sysétriques par rapport au point commun de référence et une sortie @ui peut être raccordée à l'une des entrées par un circuit de r@action inverse incorporé ou ext@rieur à l'amplificateur. Suivant le nombre des tensions appliquées aux entrées et avec l'utilisation éventuelle d'éléments de circuits adéquats, de tels amplificateurs sont utilisés com@e amplificateurs directs, a@plificateurs inverseurs, différentiels, sommateurs ou soustracteurs. même dans le cas de la simple mesure d'une tension d'entrée, la tension de sortie peut pr@ndre -.e valeurs le sola- rités opposées autour de la valeur nulle que prend théoriquement le signal de sortie quand aucune tension n'est appliquée à l'entrée. @ais une analyse fine du fonctionnement réel montre. ùe lor@que a tension de sortie est nulle, il lui correspond une certaine tension entre les deux entrées, d'allure fluctuante suivant les conditions ambiantes et les variations d'alimentation, par exemple, et que l'on désigne souc le terme de tension ae épart ou tension résiduelle, correspondant à l'exp@ession anglaise "offset voltage". Cette tension rési@uelle est de l'ordre du millivolt et apporte don@ une limitation à la sensibilité des mesures réalisables, car si @'@n mesure une ten@ion d'entrée Ve, l'erreur absolue est égale à la tension résiduelle Voe, et Voe l'erreur relative est considérable si Ve est elle-même Ve de l'ordre du microvolt ou même d'un ordre inférieur. C'est un inconvénient -rave en particulier dans les ensembles de ré@ulation automatique où la pr@cision recherch@e ne cesse de croître. @'invention a pour objet de réduire considérablement l'effet de le ten@ion résiduelle, en prévoyant une correction de la ten@ion résiduelle @arasservissement sans risquer de saturer l'entrée se l'amplificateur. Ceci permet de réduire à une v@leu très faible la limite de la sensibilité effec tive des capteurs. L'amplificateur suivant l'invention comprend des organes de mémoire qui conservent pendant une certaine durée la tension ae sortie et la réinjectant par une boucle de réaction sur l'une de ses entrées. et au moins deux or @anes de commutation prenant en synchronisme successivement l'une d'au moin@ deux positions, situés l'un à l'entrée de la mémoire, l'autre à la deuxième entrée De l'amplificateur et tels que, dans une position, le promier organe de commutation connecte la sortie aux organes de mémoire et le deuxième organe de commutation connecte la deuxième entre de l'amplificateur au point commun de référence, et que, dans une autre position, le premier organe de commutation connecte la sortie de l'amplificateur à la sortie a mesure, et le deuxième organe de commutation connecte 1 deuxième entre de l'amplificateur à la borne d'entre recevant la variable à mesurer. Un amplificateur selon l'invention peut être constitué de composants discrets ou, pour la plupart, intégrés dans une pastille de semi-conducteur, Sous cette dernière forme, il peut comporter divers composants additionnels combinés suivant 1iffé- rents schémas qui le rendent propre aux différentes fonctions remplies par les amplificateurs de l'art antérieur;; Le fonctionnement de l'amplificateur de base et les autres propriétés seront mieux comprises à l'aide de la description suivante, donne à titre d'exemples nullement limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un amplificateur de l'art antérieur La figure 2 est une représentation schématique d'un amplificateur suivant l'invention sous une forme élémentaire La figure 3 est une représentation schématique d'une réalisation préférée d'un amplificateur direct suivant l'invention La figure 4 est une représentation schématique d'un amplificateur inverseur suivant l'invention La figure 5 est une représentation schématique d'un amplificateur différentiel suivant l'invention La figure 5 est un schGma de filtre @lémentaire utilisable avec une réalisation quelconque d'amplificateur suivant 1 'invention et La figure 7 est une représentation schématique d'un filtre amplificatew' utilisable avec une réalisation quelconque d'ampli- ficateur suivant l'invention. La figure 1 représente le montage classique d'un araplifica- teur à réaction inverse. La sortie 10 d'un amplificateur A1 est reliée a' l'entrée 12, marquée du signe -,par une résistance R,. La tension à mesurer V est appliquée l'autre entrée 11, marquée d signe +. La résistance de rappel au point commun de l'entrée 12 ;tant R'1, si l'on appelle G1 le rapport R1/R'1, le gain de l'amplificateur est égal à G1+1. LA tension de sortie VS1 est proportionnelle à la somme algébrique du signal utild @ l'entrée Ve et de la tension résiduelle Vo1, suivant l'équa tion : VS1 = (1 + G1) (Ve + Vo1). L'erreur absolue sur le signal s' l'entrée étant Vo1, l'erreur relative Vo1 / Ve est conservée à la sortie. La figure 2 représente le montage le plus simpled'un amplificateur @ correction suivant l'invention. La sortie 1e de l'amplificateur A1 est raccordée à un inverseur I à deux positions P1 et p) qui applique la tension de sortie VS1 au condensateur G constituant la mémoire, dans la position P1, et la reserye a la sortie de mesure 15, dans la position P2. La tension VS1 est aJoutée à la tension de réaction inverse en raccordant le pied de la résistance R'1 à l'armature du condensateur C qui reçoit VS1, l'autre armature étant reliée au feint commun de référence de l'amplificateur (généralement à la masse).Un second inverseur I' est synchronisé avec le premier I, ce qui est symbolisé par le double trait interrompu de la figure 2. Dans une réalisation, cet accouplement peut être matérialisé par l'axe de comm3nde d'un commutateur manuel à deux circuits dans une autre réalisation, on peut avoir deux relais electromagnétiques acc uplés mécaniquement ou électriquement ; une réalisation avantageuse consistera à utiliser des interrupteurs ou transistors à effet de champ à transistors/ dont le passage d'une position à l'autre est commandé par un même générateur d'impulsions récurrentes (non représenté). Dans la position p'-1 correspondant a la position P1, l'inverseur I' relie l'entrée 11 de l'amplificateur au point commun de référence, tandis que dans la position P2' correspondant à p2, il relie l'entrée 11 à la borne 14 où s'appliquela tension Ve à mesurer. Dans la position P1 P'1 du commutateur, la tension à la sortie VS1 résulte des tensions appliquées à l'entrée, c'est-à- dire VS1 elle-même et la t@nsion résiduelle VO1: VS1 (1) = - G1 VS1 + (1 + G1) Vo1 VS1 (1) = Vo1. Dans la position P2p'2 du commutateur, la tension Vs1(1) reste appliquée en réaction négative sous la forme de la charge du condensateur C. La nouvelle valeur de VS1 a pour expression : VS1(2) = (1+G1) Vo1 + (1+G1)ve - G1 VS1(1) VS1(2) = (1 + G1) Ve + Vo1. 'erreur absolue à l'entrée devient Vo1/1+G1 et l'erreur relative est 1 /(1 + G1) Vo1/Ve. Les erreurs sont divisées par le gain de l'amplificateur, par rapport à ce qu'elles étaient sans corection. Toutefois, ce résultat n'est valable qu'à condition que la fréquence de commutation soit suffisam ent élevée pour que le condensateur C n'ait pas le temps de se décharger dans la résis tance R'1. Le schéma de la figure 5 perret de s'affranchir de cette condition, en ne conservant comme limitation que l'hypothèse, valable dans tous les cas et généralement vérifiée, que les variations de la tension résiduelle ou dérives sont très lentes par rapport à la vitesse de commutation. La différence avec le schéma de la figure 2 réside dans le fait que la charge du condensateur C est appliquée à une entrée 21 d'un deuxième amplificateur A2, lui-même avantageusement du type à réaction inverse par la boucle constituée par les résis tances R2 et R'2 pour réinjecter sa tension de sortie Vs2 à son autre entrée 22. La sortie 2G de l'amplificateur A2 est reliéau pied de la résistance R'1 pour ajouter en réaction inverse à l'amplificateur A1 la tension de sortie VS2. Si on appelle G2 le rapport de la résistance R2 à la résistance R'2, le gain de l'amplificateur A2 est égal à 1 + G2.Des calculs analogues à ceux qui ont été effectués ci-dessus montrent facilement que la tension de sortie de l'amplificateur de mesure Al devient, dans la position P2 P'2 : VS1 (2)= (1 + G1) Ve + Vo1 1 + G1 - Vo2 (1 + G2) G1 , 1 + G1 (1+G2) 1 + G1(1 + G2) si on appelle Vo2 la tension résiduelle à l'entrée de l'amplificateur A2. L'expression de VS1 (2) se simplifie en remarquant que G1 est d'une valeur très élevée par rapport à l'unité, et peut en conséquen être assimilé à 1 + G1. La tension de sortie de mesure s'écrit alors VS1 (2) = G1 Ve + ### - Vo2 L'erreur absolue a l'entrée est devenue (Vo1 Vo2) 1 1 + G2 - G1 et l'erreur relative vaut (vo1 V02) 1 1 - o2@ 1+G2 Ve G1 L'effet de la tension résiduelle Vo2 de l'amplificateur de correction A2 s'est donc ajouté, le signe négatif qui précède Vo2 ne pouvant pas être tris en compte parce que les polarités relatives des -ensions résiduelles Vol et V02 @e sont pas définies. Mais les erreurs 1 oboles sont toujours divisées par le gain de l'amplificateur de @esure A1, en ordre de grandeur, par rapport @ ce qu'elles étaient dans le cas de l'amplificateur sans correction. @'amplificateur è correction de la tension résiduelle selon l'invention se prête à de nombreuses fonctions aussi bien que l'amplificateur sans correction, moyennant des amènagements tels que l'inversion des entrées ou l'addition de composants. il résulte dans chaque variante que l'ordre de grandeur des erreurs est toujours divisé sensiblement par le gain de l'amplificateur ou de la chaîne d'amplification s'il est nécessaire de monter plusieurs étages en cascade. La figure 4 repréeelte, par exemple, un amplificateur inverseur suivant l'invention. La commutation entre court-circuit et signal P'1 P'2 s'applique à l'entrée 12, tandis que la boucle de réinjection aboutit à l'entrée 11 de l'amplificateur A1, et la charge du condensateur C est appliquée a l'entrée 22 de l'amplificateur A2, les autres éléments restant sensiblement inchangés, Un autre exemple d'utilisation est donné par la figure 5 qui représente un amplificateur différentiel suivant l'invention. les deux signaux d'entrée Vel et Ve2 sont appliqués respectivement au- entrées 12 et Il de l'amplificateur A1 dans la position de mesure P'2, et le court-circuit dans la position P'1 se fait entre les entrées 11 et 12 à-travers les résistances R4 et R5. L'invention s'applique encore à d'autres amplificateurs tels que sommateurs directs ou inverseurs,-soustracteurs directs ou inverseurs, dans lesquels les entrées sont combinées par des circuits appropriés connus dans la technique. 'invertion peut être appliquée à tous les montages d'amplificateurs dans lesquels une erreur très fai@le est recherchée. Le signal e mesure recueilli à la sortie 15 des amplifica teurs des figures 2 3 5 est découpé à la fréquence de commutation. S'il est nécessaire que la signal soit continu, il faut utiliser un filtre, à simple résistance, comme illustré à la figure 6, ou à amplificateur comme le montre la fi ure 7. par une résistance R7 La sortie de mesure 13 est appliquée a/ une armature d'un condensateur C@ dont l'autre armature est au point commun de référence. le signal passe à travers une résistance R6 ou un amplificateur A3, et la tension VS3 continue est recueillie sur la borne 14. La vaieur ae la résistance A, est obligatoirement élevée, c'est pourquoi le montage de la figure 7 est é@érale- ment préféré par@ce qu'il s'adapte mieux aux circuits d'utili ation quelle que soit leur impédance d'ertrée. @'amplificateur de @esure A1 peut être constitué de plusieurs étages en série quand un gain très élevé est exigé. Il est clair -:ue de nombreuses modifications @uvent être apportées aux @ontages décrits et représentés à titre @'exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDIGATIONS 1. Amplificateur destiné à la mesure de variables électriques, constitué d'au moins un étage avec au moins deux entrées de polarités symétriques par rapport à un point de reférence et au moins une sortie, caractérisé en ce qu'il comprend des organes de mémoire réinjectant sur l'une des entrées par une boucle de réaction la tension mise en mémoire, et au moins deux organes de commutation, prenant en synchronisme successivement l'une d'au moins deux positions, situés l'un à l'entrée des organes de mémoire, l'autre à la deuxième entrée de l'amplificateur, et tels que, dans une position, le premier organe de commutation connecte la sortie aux organes de mémoire et le deuxième organe de commutation connecte la deuxième entrée de l'amplificateur au point commun de référence, et dans une autre position, le premier organe de commutation déconnecte la sortie des organes de mémoire et le deuxième organe de commutation connecte la deuxième entrée de l'amplificateur à l'entrée recevant la variable à mesurer0 2. Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle de réaction inverse entre la sortie et l'une des entrées d l'amplificateur. 3. Amplificateur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les organes de mémoire comprennent un condensateur qui se charge à la tension de sortie sur la position des organes de commutation qui le relie à la sortie et la garde en mémoire sur une autre position0 4. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la boucle de réinjection comprend un amplificatur de couplage-entre les organes de mémoire et l'entrée de réinjection de l'amplificateur principal 5.Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il inverse la-polarité de la tension de sortie par rapport à celle de la tension d'entrée0 6. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un montage d'amplificateur différentiel0 7o Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un montage de soustracteur direct. 8. Amplificateur suivantl'une quelconque des revendica tions 1 E 4, caractérisé en ce qu'il comporte un montage e soustracteur inverseur. 9 Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un montage d'additionneur direct. 10. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un montage d'additionneur inverseur. 11. Amplificateur suivant l'une quelconque des revendica tions 1c 10, caractérisé en ce qu'il comporte des organes de mémoire temporaire à la sortie, supprimant le découpage de la tension de sortie.