Les amplificateurs à faible bruit de WPI surpassent les imitations bon marché

Un amplificateur, en termes simples, est un dispositif électronique qui amplifie un signal d'entrée. Cependant, la manière dont un amplificateur est conçu pour gérer le bruit et les limitations de bande passante affecte grandement la qualité et la durabilité du signal de sortie final.

Définition des termes

Pour discuter des amplificateurs en connaissance de cause, définissons quelques termes.

• Gain – Le gain est le multiplicateur définissant de combien l'amplitude d'un signal d'entrée est augmentée. Un signal avec un gain X1 n'est pas amplifié. Un gain X10 produit un signal de sortie dix fois plus grand que le signal d'entrée.
• Bruit – Toute fluctuation indésirable du signal est appelée bruit. Bien que le bruit puisse aussi provenir de sources externes, dans le cadre de cette discussion, nous nous intéressons principalement au bruit résultant du fonctionnement interne de l'appareil électronique, notre amplificateur. Ce bruit intrinsèque est appelé bruit de tir (ou bruit de Schott).
• Rapport signal sur bruit (RSB) – Le rapport entre le signal de sortie et le bruit de l'amplificateur est appelé rapport signal sur bruit. Plus le bruit de tir (shot noise) dans un amplificateur est faible par rapport au signal de sortie, plus il est facile de distinguer le signal désiré. Lors de la conception d'un amplificateur, le RSB peut être amélioré en augmentant le gain de la première étape pour obtenir un signal de sortie plus important ou en utilisant des composants de qualité pour minimiser le niveau de bruit de tir de l'amplificateur.
• Plage de sortie – La plage de sortie détermine le signal de sortie maximal pouvant être généré par l'amplificateur. Elle est déterminée par la tension maximale de l'alimentation. Si l'amplitude du signal de sortie est trop grande pour la plage de sortie, une partie du signal est coupée (écrêtée).
• Rail – La limite supérieure ou inférieure de la plage de l'amplificateur est appelée rail. Les signaux qui dépassent le rail ne peuvent pas être reproduits fidèlement.
• Décalage continu – Des décalages continus peuvent apparaître dans des préparations biologiques. Ce décalage est la quantité par laquelle le signal de sortie est déplacé par rapport à un point de référence zéro, et il résulte généralement de la différence de potentiel au niveau de la pointe de l'électrode.

Comment fonctionne un amplificateur ?

Les rails d'alimentation limitent la plage

Dans un monde parfait, un signal d'entrée peut être multiplié à l'infini par le facteur de gain pour déterminer le signal de sortie. Par exemple :

Dans le monde réel, cependant, les limites de l'alimentation restreignent la plage de sortie possible de l'amplificateur. Par exemple, un bio-amplificateur pourrait avoir une plage de ±5,0 V. Pour que le signal de sortie soit fidèlement reproduit, le signal d'entrée multiplié par le facteur de gain doit se situer dans la fenêtre de tension définie par les rails d'alimentation. Sinon, le signal de sortie sortira de l'échelle, et le signal d'entrée ne sera pas fidèlement reproduit. Cela s'appelle « atteindre la limite ». 

Dans notre exemple, un signal d'entrée de 1,0 μV à un X10⁶ le gain générerait un signal de sortie de 1,0 V. Puisque l'alimentation est évaluée jusqu'à +5,0 V, ce signal de sortie est clairement visible. Si le signal d'entrée dans cet exemple est supérieur à 5,0 μV, le signal de sortie serait supérieur à +5,0 V. Comme 5,0 V est le maximum que l'alimentation peut fournir, le signal de sortie atteint la limite supérieure et est coupé. Cet amplificateur donnera un signal de sortie en continu de +5,0 V pour tous les signaux d'entrée supérieurs ou égaux à 5,0 μV. Dans ce cas, un facteur de gain plus faible devrait être utilisé pour ramener le signal de sortie dans la plage dynamique de sortie de l'amplificateur.

Le bruit limite l'utilisabilité de l'amplificateur

Tous les appareils électroniques produisent leur propre bruit électronique interne, un signal inévitable qui peut masquer le signal de sortie. Par exemple, si le signal d'entrée est de 2mV et le bruit de 1mV, le rapport signal sur bruit est de deux pour un (2:1), et le signal de sortie serait indétectable. Dans ce cas, il est presque impossible de discerner quelle partie de la sortie est générée par le bruit et quelle partie est le signal désiré. (Fig. 1)

Fig. 1 – Plus le rapport signal sur bruit est élevé, plus le signal désiré est discernable.

Idéalement, le rapport signal sur bruit devrait être d'au moins 50 pour 1 afin de produire un signal de sortie de qualité. Un bon rapport signal sur bruit peut être obtenu de deux manières :

• Amplifier le signal de sortie en augmentant le gain.
• Réduire le bruit.

Bien qu'augmenter le gain soit la solution la plus simple, un gain trop élevé peut imposer une limitation à la plage dynamique de l'amplificateur. Réduire le bruit est une solution plus complexe, mais elle offre une plus grande plage et une meilleure stabilité au final.

Amplificateurs à deux étages

Les bio-amplificateurs impliquent généralement plusieurs étages d'amplification.

1. Étape 1 – Le signal non altéré entrant dans l'amplificateur n'est pas affecté par le bruit intrinsèque de l'amplificateur. Ensuite, il passe par le premier étage critique d'amplification où le signal est amplifié par le facteur de gain principal pour produire un signal de sortie avec le rapport signal sur bruit désiré. Le bruit intrinsèque n'est pas amplifié au premier étage. Des facteurs de gain plus élevés utilisés au premier étage d'amplification peuvent sérieusement limiter la plage dynamique disponible à la sortie. De grands gains au premier étage limitent également le facteur de gain disponible au second étage d'amplification.
2. Étape 2 – Le signal de sortie du premier étage entre dans le second étage d'amplification où à la fois le signal et le bruit du premier étage sont amplifiés ensemble par le facteur de gain du second étage afin que le signal soit suffisamment grand pour être visible sur un enregistreur graphique ou un système d'acquisition de données. L'amplification du second étage est le gain que l'utilisateur contrôle. Elle ne modifie pas le rapport signal sur bruit.

Au lieu d'utiliser des gains élevés au premier étage d'amplification, un bio-amplificateur bien conçu qui utilise des composants de haute qualité, comme les amplificateurs de la série DAM de WPI, minimise le bruit au premier étage d'amplification afin que la plage dynamique soit conservée tout au long du processus d'amplification. Un amplificateur mal conçu augmentera simplement le gain du premier étage d'amplification jusqu'à ce que le rapport signal sur bruit souhaité soit atteint.

Pourquoi ne pas augmenter les rails d'alimentation ?

Théoriquement, augmenter les rails de tension alimentant l'amplificateur augmentera la plage dynamique de sortie disponible. Il semblerait naturel d'augmenter les rails d'alimentation entrant dans l'amplificateur afin de fournir la capacité pour des gains plus importants au premier étage. Cependant, la plupart des systèmes d'acquisition de données sont limités à un signal d'entrée maximal compris entre ±10,0 V. Par conséquent, il n'est pas pratique d'augmenter les rails d'alimentation du bio-amplificateur au-delà de ±10,0 V. Puisque la norme industrielle nous limite à des rails d'alimentation de ±10,0 V, la seule façon d'améliorer le rapport signal sur bruit est de minimiser le bruit de tir dans le premier étage d'amplification. C'est pourquoi des composants d'amplificateur de haute qualité sont impératifs.

Pourquoi mon signal devient-il plat ?

Quel que soit l’amplificateur utilisé, les potentiels biologiques sont souvent accompagnés d’un décalage CC, car les électrodes se polarisent avec le temps. Le décalage CC augmente naturellement avec le temps. Comme l’amplificateur mal conçu qui utilise un gain de premier étage plus élevé a restreint sa plage dynamique, il a une capacité limitée à gérer ce décalage. À mesure que le décalage continue d’augmenter, le signal de sortie peut finalement être forcé par ce décalage à atteindre la limite, provoquant une ligne plate (écrêtage du signal). (Voir Fig. 2.)

 Fig. 2 – À mesure que le décalage augmente naturellement avec le temps, un amplificateur mal conçu ne pourra pas reproduire fidèlement le signal. Ce décalage peut aussi résulter d’une dérive de gain qui peut survenir avec la montée en température.

L’amplificateur qui minimise le bruit lors de l’amplification de premier étage offre une plage dynamique de sortie plus large et gère une valeur de décalage beaucoup plus grande.

Amplificateurs WPI

L’achat d’un amplificateur à faible bruit est rentable à long terme. Les amplificateurs WPI ont été conçus pour le chercheur biomédical. Alors que 20-30μV de bruit est courant dans les bioamplificateurs, les amplificateurs de la série DAM de WPI génèrent 0,4μV RMS (valeur quadratique moyenne) à 0,1-100Hz. (Cela équivaut à environ 2μV crête à crête.) Le tableau ci-dessous compare les bioamplificateurs WPI.

* 1-8 unités ISODAM8A ou BRIDGE8 peuvent être combinées comme canaux séparés dans un seul ISDB.

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