Amplificateurs différentiels


Dans un amplificateur classique le signal est appliqué entre une entrée et la masse. Le système amplifie à la fois le signal et les signaux parasites induits sur l'entrée.
Dans un amplificateur différentiel, le signal est appliqué entre deux entrées isolées de la masse.
Les signaux parasites induits sur chaque entrée sont très voisins et si l'on fait dans l'amplificateur la différence des deux signaux, on élimine le signal parasite.
Il est impossible d'utiliser directement un amplificateur opérationnel comme amplificateur différentiel à cause des phénomènes de saturation. On présente ici trois montages classiques d'amplificateurs différentiels.
Dans les schémas, les résistances de même couleur sont égales. Les amplificateurs opérationnels sont supposés idéaux.

Circuit 1 :
Montrer que Vs = (V2 − V1)(R2 / R1).
Pour ce montage, l'impédance de chaque entrée est R1 + R2.

Circuit 2 :
En appliquant par exemple le théorème de Millman sur les entrées inverseuses de chaque amplificateur, montrer que :
Vs = V2.(1 + R1 / R2) − V1(1 + R3 / R4).R1 / R2.
En déduire que si R1 = R, R2 = aR, R3 = R et R4 = R / a alors :
Vs = (1 + a).(V2 − V1).
Pour ce montage, l'impédance de chaque entrée est celle de l'entrée non inverseuse de chaque amplificateur.
Ce calcul montre que pour obtenir un véritable amplificateur différentiel, il faut utiliser des résistances de précision.

Circuit 3 :
L'amplificateur opérationnel 3 est branché comme le circuit n°1 : C'est un amplificateur différentiel de gain unité.
Montrer que :  Vs = (1 + 2R1 / R2).(V2 − V1).
On pourra par exemple écrire que le courant qui circule dans la chaîne R1, R2, R1 est le même puisque le courant consommé par les entrées des amplificateurs opérationnels est négligeable.
Pour ce montage, l'impédance de chaque entrée est aussi celle de l'entrée non inverseuse de chaque amplificateur.
Ce montage est connu sous le nom d'amplificateur d'instrumentation.
Il existe sous forme de circuit monolithique dont les résistances internes sont ajustées par abrasion laser.


Utilisation :
Les amplificateurs opérationnels sont supposés idéaux avec une alimentation symétrique (non représentée) entre +10 V et − 10 V.
Dans les schémas, les résistances de même couleur sont égales.
Visualisation des signaux :
La voie Y1 correspond au signal utile E2.
La voie Y2 correspond soit au signal de mode commun E1 soit au signal de sortie. Cliquer dans la cadre de l'inverseur pour changer.
Cliquer sur les boutons de gain pour modifier celui-ci.
Glisser le curseur rouge avec la souris pour modifier l'amplitude du signal utile (f  = 1000 Hz).
Pour les montages 2 et 3 on peut observer des phénomènes de saturation.
Pour améliorer la vision du mode commun (signal présent sur les deux entrées) sa fréquence est prise égale à 250 Hz.
Exercice : Pour le circuit n°3 déterminer la valeur du rapport R1 / R2.