TP final : amplificateur et filtre de capteur basse tension

Transformer le besoin en exigences

Supposez qu’un capteur produit 1.65 V plus un signal de ±20 mV à 10 Hz, avec une résistance de source de 1 kΩ. L’alimentation physique prévue est 3.3 V. Choisissez un gain non inverseur de 11 avec une contre-réaction 100 kΩ/10 kΩ, suivie d’un passe-bas de 15.9 kΩ/100 nF. Supposez une entrée de réception ultérieure à haute impédance. La sortie nominale du signal avant filtrage est 1.65 V ±220 mV.

À 10 Hz, le module RC vaut environ 0.995047. Le signal filtré idéal est environ 1.65 V ±218.910 mV. À 1 kHz, le module du filtre vaut environ 0.099600 : une interférence hypothétique de 1 mV au capteur devient donc environ 1.0956 mV en sortie après gain et filtrage. C’est un rejet limité du premier ordre, et non l’élimination de toute interférence.

Modèle pédagogique reproductible

Enregistrez sensor-capstone.cir et exécutez ngspice -b sensor-capstone.cir avec un exécutable autonome disponible.

Sensor deviation gain 11 with 100 Hz RC filter: ideal educational model
Vref ref 0 DC 1.65
Vs sensor ref DC 0 SIN(0 0.02 10) AC 1
Rsource sensor plus 1k
Rg minus ref 10k
Rf amp minus 100k
Eamp amp ref plus minus 100000
Rfilter amp out 15.9k
Cfilter out 0 100n
.op
.ac dec 50 1 10000
.tran 100u 500m 0 100u
.print ac vm(out) vp(out)
.print tran v(sensor) v(amp) v(out)
.save all
.end

La source Vs est référencée au milieu de l’alimentation. Eamp est une source dépendante à gain fini, sans écrêtage d’alimentation, bruit, GBW, vitesse de variation ni courant de polarisation. Le gain fermé réel vaut environ 10.998790 ; utilisez-le pour comparer des valeurs de simulation de haute précision. Au point de fonctionnement continu, sensor, amp et out sont à 1.65 V. Comparez à 1 mV près. Après le démarrage, l’écart crête de sortie à 10 Hz doit valoir environ 218.886 mV ; comparez à 2 mV près.

Compléter le dossier de conception physique

Avant une réalisation, sélectionnez un composant prenant en charge l’alimentation 3.3 V, le mode commun d’entrée près de 1.65 V, la plage de sortie 1.431–1.869 V et le courant de charge attendu. Vérifiez produit gain-bande passante, vitesse de variation, erreur de polarisation d’entrée dans 1 kΩ, décalage, bruit, découplage et capacité de la référence. Choisissez les tolérances des résistances et condensateurs et évaluez les extrêmes de coupure. La pente sinusoïdale requise n’est ici que d’environ 0.01375 V/ms, mais cela seul ne qualifie pas un composant.

Livrez un tableau de connexions, les prévisions manuelles, le fichier exact, un tableau de résultats et les limites. La réussite du modèle autonome n’établit ni l’exécution du moteur ALcad ni la sécurité ou la précision d’un capteur physique. Consultez la documentation ngspice pour la référence d’analyse.