Détecter la perte de fonctionnement linéaire d'un AOP

[Antoane]

Bonjour,

Connaissez-vous une approche générale pour détecter la perte de fonctionnement linéaire (ie : tension diufférentielle non-nule) d'un montage à AOP ?

Ce serait utile pour détecter que le montage ne fonctionne plus "comme il faut", et indiquer à un utilisateur ou circuit de supervision que la sortie n'est plus valide.
Je cherche une aproche générale, même si la question se posait initiallement pour un intégrateur pour faible courant (<< 1 nA).

Un comparateur à fenêtre avec une fenetre de e.g. +/- 20 mV entre les tensions d'entrée de l'AOP considéré pourrait faire le travail, mais ca demande beaucoup de composants. Un simple comparateur suffit lorsque le signe de la tension différentielle est connu a priori.
On pourrait aussi utiliser le Vbe d'un NPN et/ou PNP pour détecter un différentiel de tension de Vbe, mais ca devient difficile lorsque l'une des entrées n'est pas à une tension fixe à faible impédance (et ca fait beaucoup de composants).

Merci d'avance
-----

[gienas]

Bonjour Antoane et tout le groupe

... Connaissez-vous une approche générale pour détecter la perte de fonctionnement linéaire (ie : tension diufférentielle non-nule) d'un montage à AOP? ...

Hum. Je ne suis pas sûr d'avoir bien compris le sens de la question, dont la réponse a du mal à être binaire.

Je suis tenté de dire qu'il y a deux zones non linéaires, les deux saturations.

Mais ces deux saturations sont difficiles à définir. Elles dépendent de l'ampli, des tensions d'alimentation, des courants alors débités, donc ces tensions limites difficiles à fixer.

D'une manière générale, on est en zone linéaire quand la sortie est comprise ente ces deux limites.

[Antoane]

Un AOP en fonctionnement linéaire comme on le souhaite, c'est quand la tension d'entrée différentielle est nulle*.
La question est de savoir quand on quitte cette zone.

* : un du moins à pas grand chose près, étant donné l'offset de l'AOP, son gain fini, etc.

[gienas]

Un AOP en fonctionnement linéaire comme on le souhaite, c'est quand la tension d'entrée différentielle est nulle*.
La question est de savoir quand on quitte cette zone ...

Enfin pas nulle mais égale à l’offset, qui est une caractéristique pour chaque AOP. Quant au gain, il est tellement grand qu’on peut le confondre avec l’infini.

Et c’est précisément parce que je sais que tu le sais, que je suis troublé.

Je maintiens que l’on est dans la zone linéaire, quand on est bouclé avec la contre réaction, quand la sortie est entre les deux saturations.

Si tu expliquais clairement ce que tu cherches à savoir (ou plus exactement ce que tu veux faire de cette ”information”), peut-être calmerais-tu ma curiosité.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gwinver]

A priori, la réponse dépend du montage de l'ampli, et du niveau d'intervention désiré i.e. avec ou sans démontage ?
La perte de linéarité se traduit généralement par une distortion des signaux de sortie.

[Antoane]

Bonjour,

Merci pour vos retours.



> Voici un exemple :
J'ai un ampli de gain -5,1 construit autour de U1, et alimenté en +/-5V, avec des tensions de saturation de ~ +/-4V
Il recoit en entrée une tension Vin variant entre 0 et 1V, donc il devrait me sortir un signal variant entre 0 et -5,1V... mais du fait de ses tensions limitations, la tension de srtie est limitée à 4V. Je veux créer un signal qui passe à 1 lorsque l'AOP ne fonctionne plus "comme il devrait", ie. que Vout/Vin n'est plus égal à -5,1, i.e. que Vout est en saturation.

Lorsque la tension de sortie de U1 sature, entre t=1,5ms et t=3,5ms, la tension sur l'entrée inverseuse de l'AOP s'éloigne de la tension sur son entrée noon-inverseuse (i.e. la tension différentielle devient non-nulle). Ma première idée pour détecter que l'AOP ne fonctionne plus "comme il devrait" est de mesurer cette tension différentielle et de la comparer à un seuil arbitraire - c'est ce que fait U2, avec un seuil à 20 mV. Le résultat est le FLAG2 : lorsque l'AOP ne fonctionne plus "comme il devrait", le LFAG2 passe à 1.


Sur le principe ca marche, mais :
- c'est relativement complexe, surtout si Vin est bipolaire (comparateur à fenetre vs comparateur classique)
- ca se complique dès qu'il y a un peu de mode commun sur les entrées de l'AOP
- on ajoute une charge (capacitive + courant de polarisation) sur l'entrée inverseuse de l'AOP... ca peut parfois poser problème
- etc



> A priori, la réponse dépend du montage de l'ampli, et du niveau d'intervention désiré i.e. avec ou sans démontage ?
C'est pendant la phase de design, donc pas de restriction a priori.

> La perte de linéarité se traduit généralement par une distortion des signaux de sortie.
Oui, et on pourrait envisager de mesurer cette distorsion.

[Gwinver]

Hum ...
la saturation de l'ampli op a normalement pour effet de ne plus garantir la nullité de la tension différentielle d'entrée.
Après, l'ampli op nécessite un certain temps pour revenir à la normale après la disparition des conditions de saturation.

[Antoane]

> la saturation de l'ampli op a normalement pour effet de ne plus garantir la nullité de la tension différentielle d'entrée.
Voilà ! C'est exactement ce que détecte le comparateur U2. Mais avec les inconvénients que je mentionne (et sans doute d'autres).

Sachant que la saturation de la sortie aux rails d'alims n'est pas la seule source de "l'AOP ne fonctionne plus "comme il devrait"" : un court-ciruit en sortie (ou entrée en limitation courant de la sortie) fait de même.

[jiherve]

bonsoir
je me suis déjà posé la question et je n'ai rien trouvé de mieux que le comparateur à fenêtre.
Mais on peut poser le probleme différemment : comment faire pour que l'AOP ne sorte jamais de sa zone de fonctionnement linéaire, cela passe souvent par un contrôle strict des tensions d'entrée ou l'usage d'un AOP surdimensionné en tension d'alim ou c'est dual une excursion de tension de sortie plus restreinte que le max admissible.
et reste le cas de l'inversion de phase!
JR

[gienas]

... je n'ai rien trouvé de mieux que le comparateur à fenêtre ...

Cela reste une solution arbitraire, qui doit prendre de la marge, parce que ces deux limites ne sont pas ”détectables”.

... comment faire pour que l'AOP ne sorte jamais de sa zone de fonctionnement linéaire, cela passe souvent par un contrôle strict des tensions d'entrée ou l'usage d'un AOP surdimensionné en tension d'alim ou c'est dual une excursion de tension de sortie plus restreinte que le max admissible ...

Cela reste un problème de conception. C’est le rôle (habituel) du concepteur de tenir compte de tous les paramètres que rencontrera la structure (y compris l’environnement climatique et la charge) pour qu’en aucun cas le fonctionnement linéaire ne soit pas assuré.

Chercher à détecter que ce n’est pas le cas, c’est prendre le problème à l’envers. La structure se doit d’être conçue pour être idéale (dans sa zone de fonctionnement).

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Y a t-il quelque chose qui t'empêche de tout simplement mettre un comparateur sur la sortie de l'intégrateur ?

Comme tu connais la condition limite de fonctionnement : -4V ?

Parce que je suis d'accord avec le fait que faire des mesures sur l'entrée du comparateur c'est un peut plus embêtant (offset, ibias, ...)

[Antoane]

Bonjour,

Merci pour vos retours !

Y a t-il quelque chose qui t'empêche de tout simplement mettre un comparateur sur la sortie de l'intégrateur ?

Avec ca on ne détecte que la saturation en tension de la sortie. On rate par exemple si l'AOP ne fonctionne plus "comme il devrait" car la sortie entre en limitation de courant.
Si ca suffit, effectivement, un comparateur ou un BJT (supposant une tension de dechet de l'AOP < Vbe) pour détecter que la tension de sortie s'approche trop de la tension d'alim peut être intéressant.
Par exemple :

Avec un transistor de plus on peut combiner les deux flag_* pour avoir un unique signal de sortie "l'AOP ne fonctionne plus "comme il devrait" "

Comme tu connais la condition limite de fonctionnement : -4V ?

C'est une valeur au pif prise directement sur la simulation, pour l'exemple.

Je me suis déjà posé la question et je n'ai rien trouvé de mieux que le comparateur à fenêtre.

C'est un peu aussi ma deuxième question quel paramètre est-il pertinent de moniutorer ? J'ai pris comme une donnée d'entrée sans complète certitude que la tension différentielle d'entrée était un bon choix, mais est-ce qu'on peut passer à côter de certains cas où "l'AOP ne fonctionne plus "comme il devrait" " ?
y a-t-il d'autres paramètres qui pourraient être pertinent ? Par exemple, les courants de polarisations tendent à croitre et à se déséquilibrer lorsque ca ne va plus (du moins pour un AOP à étage d'entrée BJT, et/ou avec diodes tete-bêche entre les entrées). Mais enpratique... bonjour la mesure.

Cela reste un problème de conception. C’est le rôle (habituel) du concepteur de tenir compte de tous les paramètres que rencontrera la structure (y compris l’environnement climatique et la charge) pour qu’en aucun cas le fonctionnement linéaire ne soit pas assuré.

Certes, mais c'est pas drôle. C'est l'été, le forum dort, on peut chercher à réfléchir un peu
Par ailleurs, sur un circuit avec une entrée accessible à un utilisateur, on peut vouloir ajouter un peu de protection et de monitoring

[Vincent PETIT]

Je comprends mieux, mais il n'y a peut-être pas de moyen simple de faire ça.

Pour répondre à un problème similaire dans les systèmes de sureté de fonctionnement on met en place des une architectures redondantes, comme 1oo2 pour faire ce que tu veux faire : "s'assurer que la fonction intégration fonctionne".



2 intégrateurs assurent la fonction attendue de Vin et un différentiateur compare leurs sorties respectives (faut prendre en compte les tolérances/incertitudes de tout le monde). Si l'un des comparateur se met à dysfonctionner le différentiateur va le voir, il peut même voir si l'un dérive par rapport à l'autre. Le signal "Ctrl" peut par exemple commuter un switch analogique pour aiguiller l'une des sorties des comparateurs vers la suite du montage électronique dans les cas où tout fonctionne. Il pourrait aussi dire à un µC "tu peux prendre l'une des sorties, tout est ok". Dans le cas où un intégrateur dysfonctionne, le différentiateur va partir vers un rail d'alim et on peut choisir d'abandonner l'intégrateur en panne pour prendre uniquement l'autre. Dans ce cas précis on passe en mode dégradé, c'est à dire qu'on augmente la disponibilité de la fonction mais en abandonnant un peu la fiabilité (puisqu'il ne reste plus qu'un seul intégrateur fonctionnel).

Rien empêche d'ajouter, dans cette architecture 1oo2, deux circuits de contrôle de saturation des sorties des intégrateurs et de passer aussi par un différentiateur (cela augmente la couverture du diag)

Après c'est plus complexe à mettre en place.

[Vincent PETIT]

Dans le cas où un intégrateur dysfonctionne, le différentiateur va partir vers un rail d'alim

Faut je simule le truc car je pense que c'est plutôt des changement de phase qui va se passer.

[Vincent PETIT]

Je retire ce que j'ai dit.
La redondance permet bien d'améliorer la fiabilité mais ce que j'ai proposé ne permet pas de discriminer tous les cas de figure.

Intégrateur du haut cassé et bloqué à 5V
Intégrateur du haut cassé et bloqué à 0V
Intégrateur du haut fonctionnel en mode linéaire
Intégrateur du haut fonctionnel mais en saturation
idem avec celui du bas.

Il faudrait quelque chose de nettement plus complexe.

[Antoane]

Bonjour,

Pas sur de tout comprendre : par différenciateur, tu entends dérivée (d/dt), différence (va-vb) ou différenciation (dva/dvb = dva/dt / (dvb/dt)) ?


Je pense que ca rejoint une autre idée, un peu en direction de ce que proposait Gwinver en mesurant la distorsion : par exemple en comparant que la sortie qui m'intéresse (Vin*5), divisée par 5, est "égale" au signal d'entrée.
Avec un intégrateur, ca pourrait par exemple se décliner en dérivant la sortie de l'intégrateur, ou en utilisant ddeux intégrateurs ayant des R*C différents.

[jiherve]

bonjour,
Antoane il faut savoir garder raison : si le circuit de sécurisation possède un MTBF inférieur au sécurisé alors le MTBF global s'effondre.
JR

[Antoane]

Bonjour,

Ca dépend comment on le regarde : dans ma vue, ce n'est pas une question de MTBF, mais de disfonctionnement car les signaux ou condition externes le force.
e.g. tension trop haute en entrée qui fait saturer la sortie, ou chareg trop forte en sortie, etc

[bobflux]

Sur la question originale : la tension différentielle d'entrée d'un AOP n'est jamais nulle et correspond à la tension de sortie divisée par le gain en boucle ouverte, qui dépend de la fréquence. Donc selon la fréquence, et surtout si elle est élevée, la tension d'entrée peut être relativement élevée.

Le meilleur moyen est un comparateur à fenêtre sur la tension de sortie, réglé pour déclencher un peu avant la saturation.