Club robotique de Sophia-Antipolis

Accueil > POBOTpedia > Electronique > Comprendre l’électronique > Adaptation d’impédances

Adaptation d’impédances

lundi 20 décembre 2010, par Eric P., Julien H., Mathieu S.

Dans le cas de capteurs analogiques, on rencontre parfois une indication de nécessité d’adaptation d’impédance ("impedance buffer" en anglais) pour la connexion à un montage électronique, en plus de l’habituelle résistance de tirage qui réalise un pont diviseur de tension ("pull-up" ou "level-shifter" ou "voltage divider" en anglais).

Pour exemple, voici le circuit conseillé pour le capteur résistif Flex.

GIF - 13.7 ko
Adaptation d’impédance
Circuit proposé par Tisch ITP (Université de New York)

Il y a bien une résistance de tirage au niveau bas (pull-down comme dirait Nicolas) mais ensuite un amplificateur opérationnel expliqué sur le site comme :

The impedance buffer in the circuit above is a single sided operational amplifier, used with these sensors because the low bias current of the op amp reduces errer due to source impedance of the flex sensor as voltage divider. Suggested op amps are the LM358 or LM324.

Afin de nous éclairer sur ce problème et la solution à apporter, Eric nous fait part de ses connaissances sur le sujet en répondant à quelques questions.

Quel est le principe de l’impédance ?

L’impédance est la généralisation de la notion de résistance aux signaux non continus. Par exemple l’impédance d’un haut-parleur est composée de sa résistance ohmique au courant continu plus la "résistance dynamique" que les effets de self créent lorsqu’il est soumis à un signal non continu. D’ailleurs, l’impédance est en général définie pour une fréquence de référence (pour les HP je crois que c’est 1kHz), car elle varie en fonction de celle-ci.

Dans quel cas ça arrive ?

Huh, ce n’est pas une maladie :) Plus sérieusement, on parle d’impédance dès qu’on quitte le domaine des signaux continus, mais l’impédance est toujours "présente", ne serait-ce que sous forme de sa composante ohmique pure.

Est-ce qu’il est obligatoire de mettre un ampli-op et quel est son rôle ?

De réaliser de qu’on appelle l’adaptation d’impédance, afin que deux étages consécutifs d’un système "voient" respectivement l’autre avec une même impédance.

L’exemple le plus simple à comprendre est le cas de figure où un étage à forte impédance de sortie est connecté à un étage à faible impédance d’entrée. La faible impédance d’entrée va donc entraîner l’établissement d’un courant tel que la chute de tension au travers de l’impédance de sortie de l’étage amont va provoquer une diminution de l’amplitude du signal.

Démonstration concrète : une pile électrique usagée connectée à une charge. La pile possède une résistance interne intrinsèque, qui augmente d’ailleurs au fur et à mesure qu’elle se vide. Si on mesure la tension à vide avec un voltmètre (dont l’impédance d’entrée est très élevée normalement, pour justement perturber le moins possible le signal mesuré) on obtient une valeur beaucoup plus importante que si on connecte la pile sur une petite ampoule par exemple. Dans ce cas l’impédance très faible de l’ampoule va engendrer la consommation d’un courant important et la chute de tension développée par la résistance interne de la pile va faire chuter d’autant la tension mesurée à sa sortie. C’est d’ailleurs pour cela qu’il faut toujours mesurer une tension d’alimentation en charge et pas à vide.

Dans le cas pile + voltmètre on avait une adaptation d’impédance satisfaisante (i.e. deux impédances élevées, avec une impédance d’entrée plus élevée que l’impédance de sortie), et dans le deuxième cas les impédances n’étaient pas adaptées (impédance de sortie élevée connectée à une impédance d’entrée faible). Si le déséquilibre est excessif d’ailleurs, on peut aller jusqu’à détruire l’étage de sortie (ex de la connexion à un ampli d’enceintes acoustiques d’impédance trop faible)

Pour le cas inverse, c’est un peu plus complexe, et c’est en fait plus important pour les montages analogiques, dans lesquels les signaux sont continus, et pas discrets comme dans le cas des montages numériques.

Ce qui se passe alors est que les transistors impliqués (que ce soit sous forme de composants discrets ou bien intégrés dans des CI), ne fonctionnent alors plus à saturation (en commutation) mais en amplification (dans la partie linéaire de leur caractéristique en principe). Or pour maintenir un transistor dans la bonne partie de sa caractéristique afin de garantir la linéarité de son comportement, il faut que les courants qui le traversent restent dans des intervalles précis. S’ils sont trop importants ou trop faibles, on sort de cette partie linéaire, et le transistor ne fonctionne alors plus en amplification (au sens général du terme, c’est à dire même avec un gain inférieur à 1) mais en commutation. Ce qui n’est pas ce qu’on veut. Donc dans ce genre de montage, il est souvent important de ne pas connecter un étage à impédance de sortie faible sur un étage d’entrée à impédance élevée, car on risque de perturber le fonctionnement de l’étage de sortie en ne "consommant" pas assez. C’est moins critique dans le cas des montages numériques car il est plus facile de se placer en mode commutation qu’en mode amplification.

L’autre phénomène qui peut se produire est une entrée en oscillation de l’étage de sortie, mais c’est encore une autre histoire.

Que se passe-t-il si on n’en met pas ?

L’adaptation d’impédance n’est pas réalisée, ce qui peut perturber le bon fonctionnement du montage.

Est-ce que ça a un rapport avec les interférences et les filtres
passe-bas ?

Un peu. Les filtres sont souvent là pour pour supprimer les perturbations collectées au niveau des entrées haute impédance, qui se comportent alors comme des antennes. L’explication est que tout conducteur placé dans un champ électromagnétique variable voit une différence de potentiel apparaitre entre ses extrémités (loi de Faraday si je me souviens bien), et donc un courant se développer. Donc n’importe quel fil, piste de PCB ou pin d’entrée joue le rôle d’antenne et si le circuit en aval est à très forte impédance d’entrée, ce faible courant va devenir significatif comparé aux signaux à traiter.

La manière de s’en débarrasser est de présenter une impédance d’entrée faible pour les fréquences concernées, ce qui diminuera d’autant plus l’amplitude du signal créé par l’effet d’antenne. Comment on fait cela : un plaçant sur l’entrée un filtre passe-bas, dont le rôle est de dériver à la masse les signaux haute fréquence par le fait de présenter une impédance faible pour eux. C’est un des rôles des condensateurs de découplage 100nF qu’on trouve à profusion dans nos montages numériques.

Démonstration simple : laissez en l’air l’entrée d’un oscilloscope (en général à impédance d’entrée de l’ordre du méga-ohm) et observez l’allure de la trace : un vrai gazon. Si au lieu de la laisser en l’air, vous connectez une résistance plus faible et reliée à la masse, plus rien, car vous avez alors diminué l’impédance d’entrée de l’oscillo. Idem si on utilise une capa (condensateur de 100nF ou moins par exemple) car cette capacité se comporte comme une résistance d’autant plus faible que la fréquence du signal augmente. Dans le cas de la résistance, vous avez créé une adaptation d’impédance indépendante de la fréquence, ce qui peut être gênant pour le signal "utile". Dans le deuxième cas vous avez créé une adaptation d’impédance en fonction de la fréquence du signal, ce qui est le principe fonctionnel d’un filtre.

Pour en revenir au cas des capteurs évoqués, le rôle de l’ampli-op est d’adapter l’impédance de sortie du capteur (que je suppose très élevée s’il s’avère qu’un tel ajout est nécessaire) à une impédance d’entrée trop faible de l’étage qui utilise son signal, et qui aurait pour effet de déformer le signal de sortie du capteur, notamment en l’affaiblissant trop pour que son excursion entre les valeurs extrêmes permette une bonne résolution.

L’autre raison peut être d’augmenter la résolution. En effet, si la tension de sortie du capteur présente une excursion de par exemple 1OOmV au maximum dans les conditions d’utilisation, sa numérisation via l’ADC d’un µP va donner une piètre résolution, car la pleine échelle sera alors de 3V ou 5V selon le Vcc du µP. Dans ce cas on cherche alors à amplifier le signal de sortie du capteur (et à le décaler éventuellement) de manière à ce que l’excursion résultante soit la plus grande possible et permette donc une résolution optimale.

Le mot de la fin

Comme dit Eric :


Je pencherais pour cette deuxième hypothèse dans notre cas de figure, car les capteurs de flexion sont des résistance variables de même nature que les capteurs de pression, et on peut sans problème les connecter en direct sur une entrée ADC de µP sans détérioration du signal à mesurer.

Avertissement : je ne suis pas un spécialiste de l’électronique (entendez par la que ce n’est pas ma formation initiale). Ce qui précède n’est que ma compréhension de ce que j’ai pu ingurgiter comme littérature et observer lors de mes expérimentations.

Un message, un commentaire ?

modération a priori

Attention, votre message n’apparaîtra qu’après avoir été relu et approuvé.

Qui êtes-vous ?

Pour afficher votre trombine avec votre message, enregistrez-la d’abord sur gravatar.com (gratuit et indolore) et n’oubliez pas d’indiquer votre adresse e-mail ici.

Ajoutez votre commentaire ici
  • Ce formulaire accepte les raccourcis SPIP [->url] {{gras}} {italique} <quote> <code> et le code HTML <q> <del> <ins>. Pour créer des paragraphes, laissez simplement des lignes vides.

Ajouter un document