Les amplis-op à usage général ne sont pas bons à tout - La précision et ses avantages au niveau coût

Nous voyons souvent des clients utiliser des amplis-op à usage général comme le LM321, pour des applications de détection de courant. Il s’agit de l’un des amplis-op utilisés depuis des dizaines d’années.

Ces amplis-op standards sont peu coûteux et sont présents dans d'innombrables applications. Il arrive que ces mêmes clients reviennent vers nous pour déclarer que ces amplis-op sont défectueux dans leurs circuits de détection de courant. Néanmoins, lorsque nous examinons les amplis-op retournés, ils fonctionnent comme prévu. Alors, qu'est-ce qui se passe ?

Ce n'est pas parce qu'un ampli-op est "à usage général" qu'il est "bon à tout". Les applications de détection de courant ont besoin de précision. La détection de courant sert typiquement dans les applications de gestion d'énergie et de protection contre les surintensités. Imaginez un monde sans précision. La jauge de batterie de votre téléphone indiquerait par exemple 8%, alors que la batterie serait sur le point de lâcher. Vous pouvez concevoir un circuit de surintensité pour qu'il se déclenche à 100 A, pour au final découvrir qu’il ne se déclenche qu'à 150 A, et que tous vos appareils en aval sont endommagés. C'est la différence entre "usage général" et "précision".

Un ampli-op de précision est une question de tension d’offset. Il devra aussi offrir de meilleures caractéristiques en termes de taux de réjection en mode commun (CMRR) et de taux de réjection d’alimentation (PSRR), mais ces deux éléments peuvent être obtenus grâce à une tension d’offset d’entrée qui varie avec la tension de mode commun ou la tension d'alimentation. Qu'est-ce que la tension d’offset d'entrée ? Il s’agit d’un décalage inhérent de la tension d'entrée de chaque ampli-op, dû aux inévitables déséquilibres dans la paire de transistors d'entrée, qui tiennent au processus de fabrication.

Un ampli-op à usage général traditionnel, comme le LM321, présente une VOS tension d’offset d'entrée nulle, mais nous savons que cela ne peut être le cas dans le monde réel. = ±7 mV max, tandis qu’un ampli-op à usage général moderne, comme le NCS20071, présente une VOS = ±3,5 mV max. Cette valeur maximale est basée sur une distribution grossièrement centrée sur zéro. Cela signifie qu’en moyenne, un composant pris au hasard présentera une tension d’offset quasi-nulle. Vous pouvez très bien être persuadés que votre circuit prototype fonctionne parfaitement avec un classique LM321. Cependant, une fois le circuit produit en grande série, il se peut que vous constatiez un pourcentage pannes important. C’est dû au fait qu'il existe, d’un composant à l’autre, des variations liées au processus de fabrication, et que certains composants peuvent être proches des limites. Vous devez toujours concevoir votre circuit en envisageant une tension d’offset d'entrée maximale. Il arrive que certains clients oublient de valider le fonctionnement aux limites de tension d’offset d'entrée, de taux de réjection de mode commun, de tolérances du réseau de résistances, de température, etc.

Comparons les amplis-op à usage général LM321 et NCS20071 au nouvel ampli-op de précision, NCS21911, qui présente une tension d’offset maximale VOS = ±25 µV (nous disons bien microvolts) grâce à son architecture stabilisée à hacheur. Mais comment intervient la tension d’offset ? Considérons le cas d’une chute de tension fixe de 50 mV à travers un shunt, comme illustré en Figure 1.

Comparaison des tensions d’offset d'entrée et du décalage de sortie qui en résulte. Les amplificateurs présentant des offsets d'entrée de 7 mV et de 3,5 mV présentent une erreur de sortie notable.

On peut examiner de plus près l'exemple avec VOS = 7 mV en Figure 2.

Détection de courant côté bas et contribution de la tension d’offset d'entrée à l'erreur de sortie.

En optant pour un ampli-op de précision comme le NCS21911, la contribution à l'erreur de la tension d’offset d'entrée devient quasi-négligeable pour ce circuit exemple. Non seulement la précision en sortie s'améliore, mais la valeur de la résistance de détection peut même être réduite, tout en maintenant la précision requise.

Etant donné que la faible tension d’offset permet de diminuer la valeur de la résistance de détection, tout en maintenant la même précision - comme le montre la Figure 3 - le rendement peut être grandement amélioré. Que se passe-t-il lorsque l’on réduit la valeur de la résistance de détection ? La résistance de détection consomme moins d'énergie, ce qui signifie qu'une résistance de moindre puissance et d’un coût inférieur peut être utilisée, et que la résistance de détection, physiquement plus petite, occupe au final moins de place sur le circuit imprimé. Le rendement global du système s'améliore et moins d’énergie se trouve gaspillée.

Comparaison des tensions d’offset d'entrée et des chutes de tension correspondantes aux bornes du shunt, pour obtenir la même précision. Une chute plus faibles aux bornes du shunt se traduit par un meilleur rendement.

Dans de nombreuses applications, le courant de charge dans la résistance de détection est variable. Parfois, quand des utilisateurs essaient de mesurer un courant proche de 0 A, ils constatent que l'erreur augmente considérablement. C’est normal et l’on doit s'y attendre. Lorsque le courant tend vers zéro, le pourcentage d'erreur tend vers l'infini. Ce circuit de détection de courant est conçu pour mesurer un courant substantiel, pas pour fournir une mesure précise en présence d’un courant quasi-nul. La Figure 4 illustre comment la précision s’améliore quand le courant augmente. Remarquez comment l'erreur évolue en fonction de la tension d’offset d'entrée. La tension d’offset de 25 µV du NCS21911 permet des mesures relativement précises, même avec une tension de détection faible.

Erreur due à la tension d’offset d'entrée

Ce qui semble n’être que de petites améliorations de rendement et de précision peut néanmoins se traduire par des économies sur la nomenclature, sur le circuit imprimé, et sur la facture d'électricité. Si opter pour un ampli-op moins coûteux permet d’économiser au départ, il faut bien voir que les économies réalisées au niveau système peuvent s’avérer très intéressantes si l’on utilise un ampli-op de précision d’un prix raisonnable.

Pour de nombreuses applications un ampli-op à usage général fonctionnera parfaitement. Même un LM321 classique peut parfaitement fonctionner pour une application de détection de courant dont le circuit a été conçu en conséquence. N'oubliez pas que vous devez vous attendre à une erreur en sortie sensiblement plus élevée. D’un autre côté, il faut utiliser une résistance de détection de valeur supérieure pour obtenir une chute de tension assez importante par rapport à la tension d’offset d'entrée.

Pour la détection de courant de faible valeur côté bas, utiliser un ampli-op de précision améliore la précision et le rendement du système. Enfin, il faut noter que l'ampli-op de précision NCS21911 est doté d’un brochage standard, ce qui en fait un substitut direct des amplis-op à usage général classiques, comme le LM321 et le NCS20071.

Auteur: Farhana Sarder
Applications engineer chez ON Semiconductor

www.onsemi.com

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