L’amplificateur différentiel est un circuit de soustraction de tension qui produit une tension de sortie proportionnelle à la différence de tension entre deux signaux d’entrée appliqués aux bornes d’entrée inversée et non inversée d’un amplificateur opérationnel.

Jusqu’à présent, nous avons utilisé uniquement une des entrées de l’amplificateur opérationnel pour se connecter à l’amplificateur, utilisant soit la borne d’entrée « inversée » soit la borne d’entrée « non inversée » pour amplifier un signal d’entrée unique, l’autre entrée étant connectée à la masse.

Mais, comme un amplificateur opérationnel standard a deux entrées, inversée et non inversée, nous pouvons également connecter des signaux à ces deux entrées simultanément, produisant un autre type courant de circuit d’amplificateur opérationnel appelé Amplificateur Différentiel.

En gros, comme nous l’avons vu dans le premier tutoriel sur les amplificateurs opérationnels, tous les amplificateurs opérationnels sont des « amplificateurs différentiels » en raison de leur configuration d’entrée. Cependant, en connectant un signal de tension à une borne d’entrée et un autre signal de tension à l’autre borne d’entrée, la tension de sortie résultante sera proportionnelle à la « Différence » entre les deux signaux de tension d’entrée de V₁ et V₂.

Ensuite, les amplificateurs différentiels amplifient la différence entre deux tensions, faisant de ce type de circuit d’amplificateur opérationnel un Sous-traire, contrairement à un amplificateur de sommation qui additionne ou additionne les tensions d’entrée. Ce type de circuit d’amplificateur opérationnel est communément connu sous le nom de configuration Amplificateur Différentiel et est illustré ci-dessous :

Amplificateur Différentiel

En connectant chaque entrée successivement à 0V, nous pouvons utiliser le principe de superposition pour calculer la tension de sortie Vout. Alors, la fonction de transfert pour un circuit Amplificateur Différentiel est donnée comme suit :

Lorsque les résistances, R1 = R2 et R3 = R4, la fonction de transfert ci-dessus pour l’amplificateur différentiel peut être simplifiée à l’expression suivante :

Équation de l’Amplificateur Différentiel

Si toutes les résistances ont la même valeur ohmique, c’est-à-dire : R1 = R2 = R3 = R4, alors le circuit deviendra un Amplificateur Différentiel à Gain Unitaire et le gain de tension de l’amplificateur sera exactement un ou unitaire. Ensuite, l’expression de sortie serait simplement Vout = V₂ – V₁.

Veuillez également noter que si l’entrée V1 est supérieure à l’entrée V2, la somme de la tension de sortie sera négative, et si V2 est supérieure à V1, la somme de la tension de sortie sera positive.

Le circuit Amplificateur Différentiel est un très utile circuit op-amp et en ajoutant plus de résistances en parallèle avec les résistances d’entrée R1 et R3, le circuit résultant peut être conçu pour soit « Additionner » soit « Soustraire » les tensions appliquées à leurs entrées respectives. L’une des manières les plus courantes de le faire est de connecter un « Pont Résistif » communément appelé un Pont de Wheatstone à l’entrée de l’amplificateur comme montré ci-dessous.

Pont de Wheatstone Amplificateur Différentiel

Le circuit standard de l’Amplificateur Différentiel devient maintenant un comparateur de tension différentielle en « Comparant » une tension d’entrée à l’autre. Par exemple, en connectant une entrée à une référence de tension fixe configurée sur un des bras du réseau de pont résistif et l’autre à soit un « Thermistor » soit un « Résistor Dépendant de la Lumière », le circuit amplificateur peut être utilisé pour détecter soit des niveaux de température faibles ou élevés, soit de la lumière car la tension de sortie devient une fonction linéaire des changements dans le bras actif du pont résistif, ce qui est démontré ci-dessous.

Amplificateur Différentiel Activé par la Lumière

Le circuit ci-dessus agit comme un interrupteur activé par la lumière qui active ou désactive le relais de sortie lorsque le niveau de lumière détecté par la résistance LDR dépasse ou descend en dessous d’une certaine valeur prédéfinie. Une référence de tension fixe est appliquée à la borne d’entrée non inversée de l’op-amp via le réseau diviseur de tension R1 – R2.

La valeur de tension à V₁ définit le point de déclenchement de l’op-amp, avec un potentiomètre de rétroaction, VR2, utilisé pour régler l’hystérésis de commutation. C’est la différence entre le niveau de lumière pour « ON » et le niveau de lumière pour « OFF ».

Le deuxième bras de l’amplificateur différentiel est constitué d’une résistance dépendante de la lumière standard, également connue sous le nom de LDR, un capteur photo-résistif qui change sa valeur résistive (d’où son nom) en fonction de la quantité de lumière sur sa cellule, car leur valeur résistive est une fonction de l’illumination.

Le LDR peut être de n’importe quel type standard de cellule photoconductrice en cadmium-sulfure (cdS), comme le commun NORP12, qui a une plage résistive d’environ 500Ω à la lumière du soleil jusqu’à environ 20kΩ ou plus dans l’obscurité.

La cellule photoconductrice NORP12 a une réponse spectrale similaire à celle de l’œil humain, ce qui la rend idéale pour une utilisation dans des applications de contrôle de l’éclairage. La résistance de la photocellule est proportionnelle au niveau de lumière et diminue avec l’intensité lumineuse croissante, donc le niveau de tension à V2 changera également au-dessus ou en dessous du point de commutation, qui peut être déterminé par la position de VR1.

Ensuite, en ajustant le trip ou la position de réglage du niveau de lumière avec le potentiomètre VR1 et l’hystérésis de commutation avec le potentiomètre VR2, un interrupteur de lumière de précision peut être créé. Selon l’application, la sortie de l’op-amp peut commuter la charge directement, ou utiliser un interrupteur transistor pour contrôler un relais ou les lampes elles-mêmes.

Il est également possible de détecter la température en utilisant ce type de configuration de circuit simple en remplaçant la résistance dépendante de la lumière par un thermistor. En intervertissant les positions de VR1 et de LDR, le circuit peut être utilisé pour détecter soit la lumière soit l’obscurité, ou la chaleur soit le froid à l’aide d’un thermistor.

Une limitation majeure de ce type de conception d’amplificateur est que ses impédances d’entrée sont plus faibles par rapport à celles d’autres configurations d’amplificateurs opérationnels, par exemple, un amplificateur non inversé (entrée à terminaison unique).

Chaque source de tension d’entrée doit transmettre un courant à travers une résistance d’entrée, qui a une impédance globale inférieure à celle de l’entrée de l’op-amp seule. Cela peut être bon pour une source à faible impédance comme le circuit pont ci-dessus, mais pas si bon pour une source à haute impédance.

Une façon de surmonter ce problème est d’ajouter un amplificateur tampon à gain unitaire, comme le suiveur de tension vu dans le tutoriel précédent, à chaque résistance d’entrée. Cela nous donne alors un circuit d’amplificateur différentiel avec une impédance d’entrée très élevée et une faible impédance de sortie, car il se compose de deux buffers non inversés et d’un amplificateur différentiel. Cela forme alors la base de la plupart des « Amplificateurs d’Instrumentation ».

Amplificateur d’Instrumentation

Les Amplificateurs d’Instrumentation (in-amps) sont des amplificateurs différentiel à très fort gain qui ont une haute impédance d’entrée et une sortie à terminaison unique. Les amplificateurs d’instrumentation sont principalement utilisés pour amplifier des signaux différentiels très faibles provenant de jauges de contrainte, de thermocouples ou de dispositifs de détection de courant dans les systèmes de contrôle de moteurs.

Contrairement aux amplificateurs opérationnels standard dont le gain en boucle fermée est déterminé par une rétroaction résistive externe connectée entre leur terminal de sortie et un terminal d’entrée, qu’il soit positif ou négatif, les « amplificateurs d’instrumentation » possèdent une résistance de rétroaction interne qui est effectivement isolée de ses terminaux d’entrée, car le signal d’entrée est appliqué sur deux entrées différentielles, V1 et V2.

L’amplificateur d’instrumentation a également un très bon rapport de rejet des modes communs, CMRR (zéro sortie lorsque V₁ = V₂) largement supérieur à 100 dB à DC. Un exemple typique d’un amplificateur d’instrumentation à trois op-amps avec une haute impédance d’entrée ( Zin ) est donné ci-dessous :

Amplificateur d’Instrumentation à Haute Impédance d’Entrée

Les deux amplificateurs non inversés forment un étage d’entrée différentiel agissant comme des amplificateurs tampon avec un gain de 1 + 2R2/R1 pour les signaux d’entrée différentiels et un gain unitaire pour les signaux d’entrée en mode commun. Comme les amplificateurs A1 et A2 sont des amplificateurs à rétroaction négative en boucle fermée, nous pouvons nous attendre à ce que la tension à Va soit égale à la tension d’entrée V1. De même, la tension à Vb sera égale à la valeur à V2.

Comme les op-amps ne prennent aucun courant à leurs bornes d’entrée (terre virtuelle), le même courant doit circuler à travers le réseau de résistances de R2, R1 et R2 connectés à travers les sorties de l’op-amp. Cela signifie que la tension à l’extrémité supérieure de R1 sera égale à V1 et que la tension à l’extrémité inférieure de R1 sera égale à V2.

Cela produit une chute de tension à travers la résistance R1 qui est égale à la différence de tension entre les entrées V1 et V2, la tension d’entrée différentielle, car la tension au point de sommation de chaque amplificateur, Va et Vb est égale à la tension appliquée à ses entrées positives.

Cependant, si une tension en mode commun est appliquée aux entrées des amplificateurs, les tensions de chaque côté de R1 seront égales et aucun courant ne circulera à travers cette résistance. Étant donné qu’aucun courant ne circule à travers R1 (ni, par conséquent, à travers les deux résistances R2, les amplificateurs A1 et A2 fonctionneront comme des suiveurs à gain unitaire (buffers). Puisque la tension d’entrée aux sorties des amplificateurs A1 et A2 apparaît de manière différentielle à travers le réseau de trois résistances, le gain différentiel du circuit peut être varié simplement en changeant la valeur de R1.

La tension de sortie de l’op-amp différentiel A3 agissant comme un sous-traire est simplement la différence entre ses deux entrées ( V2 – V1 ) et qui est amplifiée par le gain de A3, qui peut être un, unitaire, (en supposant que R3 = R4). Nous avons alors une expression générale pour le gain de tension global du circuit de l’amplificateur d’instrumentation comme suit :

Équation de l’Amplificateur d’Instrumentation

Dans le prochain tutoriel sur les Amplificateurs Opérationnels, nous examinerons l’effet de la tension de sortie, Vout, lorsque la résistance de rétroaction est remplacée par une réactance dépendante de la fréquence sous forme de capacité. L’ajout de cette capacité de rétroaction produit un circuit amplificateur opérationnel non linéaire appelé un Amplificateur Intégrateur.