Dérive de température dans les résistances et Op

Même dans des conditions électriques fixes (tension d'alimentation, entrée et charge), les circuits électroniques ne sont pas parfaitement stables car ils ont tendance à dériver avec le temps et la température. Ces écarts par rapport au comportement idéal peuvent ajouter une erreur considérable aux mesures de précision. Pour mieux comprendre la dérive de température dans l'électronique, cet article examine brièvement le comportement en température des résistances et des amplificateurs. Nous discuterons également du fait que l'effet du bruit de scintillement peut ne pas être facilement distinguable d'une dérive induite par la température dans la sortie. Enfin, nous discuterons du fait que la dérive peut limiter l'efficacité de la technique de moyenne du signal qui est couramment utilisée pour augmenter la précision des mesures répétables.

Étant peut-être le type de composant électronique le plus simple, les résistances peuvent être négligées en tant que sources d'erreur dans les circuits hautes performances. Cependant, la valeur d'une résistance n'est pas constante et change avec la température et le temps. Par exemple, si le coefficient de température d'une résistance est de ±50 ppm/°C et que la température ambiante dépasse de 100 °C la température de référence (la température ambiante), la valeur de la résistance peut changer de ±0,5 %.

Heureusement, dans de nombreuses applications, la précision du circuit est déterminée par le rapport de deux résistances ou plus plutôt que par la valeur absolue d'une seule résistance. Dans ces cas, un réseau de résistances adaptées, tel que le LT5400, peut être utilisé. Les résistances forment un réseau de substrat commun et présentent un comportement de température bien adapté. La figure 1 compare le comportement en température d'une seule résistance discrète à celui d'un réseau de résistances adaptées.

Dans cette figure, les lignes orange indiquent les limites de variation de la valeur d'une seule résistance de ±50 ppm/°C lorsque la température change dans les deux sens à partir de la température de référence (20°C). Les courbes rouges correspondent à quatre résistances d'un réseau de résistances adaptées qui présentent un comportement thermique similaire. Les coefficients de température (TC) des résistances adaptées se suivent, généralement entre 2 et 10 ppm/°C. Les résistances avec un comportement thermique bien adapté peuvent être une exigence fondamentale dans certaines applications de précision telles que la détection de courant résistif.

Il convient de noter que, même avec des valeurs de TC identiques, les résistances d'un circuit peuvent générer une dérive en fonction de la température. Ci-dessous, vous pouvez voir un exemple dans la figure 2.

Dans la figure ci-dessus, les deux résistances ont des TC identiques (+25 ppm/°C) ; cependant, la tension aux bornes des résistances et, par conséquent, la puissance dissipée par les deux résistances est très différente. La tension aux bornes de R2 = 100 Ω est de 0,1 V, ce qui conduit à une dissipation de puissance de 0,1 mW. Cependant, la tension aux bornes de R1 est de 9,9 V ; ainsi 9,9 mW sont dissipés à travers cette résistance. En supposant que la résistance thermique des deux résistances est de 125 °C/W, la température de R1 et R2 augmentera respectivement de 1,24 °C et 0,0125 °C au-dessus de la température ambiante. Cet effet d'auto-échauffement inégal fait dériver les deux résistances de quantités différentes.

La figure 3(a) montre un autre exemple où des TC identiques ne peuvent pas nécessairement résoudre le problème de dérive de température.

Dans la figure ci-dessus, si la conception incorpore des résistances inégales (R1 ≠ R2) avec des TC identiques, l'auto-échauffement des résistances peut générer une dérive induite par la température comme nous l'avons vu ci-dessus. Cependant, un gradient de température supplémentaire peut être provoqué par le régulateur de tension. Ce gradient de température génère des dérives de température inégales dans les résistances même si la résistance et TC des deux résistances sont les mêmes (R1 = R2 et TC1 = TC2).

Un réseau de résistances peut être utilisé pour éviter le problème de dérive des exemples ci-dessus (Figure 3(b)). Avec un réseau de résistances mis en œuvre sur un seul substrat, les deux résistances sont couplées thermiquement et subissent la même température ambiante.

Une simple résistance étant sensible à la température et au vieillissement, il n'est pas surprenant que les paramètres d'autres circuits plus complexes dérivent également avec la température et le temps. Par exemple, la tension de décalage d'entrée d'un amplificateur change avec la température et le temps. Cela peut produire une erreur variant dans le temps, limitant le signal CC minimum pouvant être mesuré. La dérive de décalage pour un amplificateur opérationnel de précision à usage général typique peut être comprise entre 1 et 10 μV/°C.

Si la dérive d'offset d'un amplificateur limite la précision de nos mesures, on peut envisager l'utilisation d'un amplificateur stabilisé par hacheur. Ces dispositifs utilisent des techniques d'annulation de décalage pour réduire la tension de décalage à un niveau très bas (par exemple, moins de 10 μV) et produire un fonctionnement à dérive quasi nulle. La dérive de décalage d'un amplificateur stabilisé par hacheur, tel que le MCP6V51 de Microchip, peut être aussi faible que 36 nV/°C.

Aux très basses fréquences, le bruit de scintillement est la source de bruit dominante qui affecte la sortie d'un circuit. La puissance moyenne du bruit de scintillement est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement (c'est pourquoi le bruit de scintillement est aussi appelé bruit 1/f). Plus la fréquence est basse, plus la puissance moyenne du bruit en 1/f est élevée. Si nous mesurons la sortie d'un circuit pendant un temps suffisamment long, nous pouvons capter l'effet de ce bruit à basse fréquence. La figure 4 montre les fluctuations amplifiées que le bruit de scintillement produit à la sortie de l'ADA4622-2.

L'ADA4622-2 est un amplificateur opérationnel de précision avec un bruit de 0,1 Hz à 10 Hz de 0,75 μV pp typique. La forme d'onde de la figure ci-dessus montre le bruit de 0,1 Hz à 10 Hz de l'ADA4622-2 amplifié par un facteur de 1000. Comme vous pouvez le voir, le bruit de scintillement provoque des fluctuations lentes aléatoires dans la sortie. Ces fluctuations sont produites par un phénomène différent de la dérive induite par la température ou le vieillissement. Cependant, en raison de sa nature basse fréquence, l'effet du bruit 1/f peut ne pas être facilement distinguable d'une dérive du signal.

Dans le cas des amplificateurs opérationnels, la dérive de décalage et le bruit 1/f provoquent des erreurs lentes à la sortie. C'est pourquoi un amplificateur opérationnel à dérive nulle, qui utilise des techniques d'annulation de décalage pour réduire la dérive de décalage, n'a pas de bruit 1/f à la sortie. La figure 5 compare le bruit en 1/f d'un amplificateur à temps continu avec celui d'un amplificateur à dérive nulle.

Une autre technique efficace de réduction du bruit est la moyenne du signal. Si nous avons une expérience reproductible avec une variance de bruit de $$σ_n^2$$, nous pouvons répéter l'expérience M fois et faire la moyenne des échantillons de sortie correspondants pour réduire la variance de bruit à :

$$σ_{n, moy}^2 = \frac{σ_n^2}{M}$$

Où $$σ_{n, avg}^2$$ désigne la variance de bruit du signal moyenné. Malgré l'efficacité de la moyenne du signal dans certaines applications, elle a encore ses limites. La moyenne des signaux est basée sur l'hypothèse que les échantillons de bruit ne sont pas corrélés les uns avec les autres. Une dérive lente des données mesurées peut agir comme une composante de bruit corrélé à basse fréquence et limiter l'efficacité de la technique de calcul de la moyenne du signal. Dans ce cas, la suppression du bruit sera inférieure à celle prédite par l'équation 1.De plus, selon le type de dérive aléatoire dans une application donnée, la variance du signal moyen peut augmenter au-dessus de certaines valeurs de M.

Dans un autre article, nous examinerons de plus près cette limitation de la technique de moyennage du signal et présenterons un outil d'analyse statistique utile, appelé variance d'Allan, qui nous permet d'avoir un aperçu plus approfondi de la façon dont la sortie d'un circuit a tendance à dériver en raison de différents phénomènes tels que le bruit de scintillement, l'effet de température, etc.

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