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# SondeDifferentielle
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L'idée est de construire des sondes différentielles pour le loisir, le design est issue d'un dépôt GitHub [https://github.com/lbarbisch/Diff-Probe](https://github.com/lbarbisch/Diff-Probe)
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Une très bonne explication du fonctionnement des sondes différentielle est donné dans cette vidéo [https://www.youtube.com/watch?v=_OZ5Xer84eo](https://www.youtube.com/watch?v=_OZ5Xer84eo)
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Une explication intéressante pour une sonde allant jusqu’à 100MHz [et tutoriel pour la fabriquer](https://resources.altium.com/p/differential-oscilloscope-probe-project)
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# Contexte
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Nous n'avons pas besoin de très hautes performances ni de très hautes tension. Le design devra être capable de fonctionner sur le secteur et avoir une bande passante d'environ 1MHz. L'objectif de cette sonde n'est pas de faire de la mesure de précision, mais de chercher des formes d'ondes parasites sur le secteur.
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# Design
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## Circuit primaire sans compensation impédance
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Le design part d'une base d'un "Amplificateur de mesure" à 3 amplificateurs opérationnels
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Le gain typique pour un tel amplificateur est calculé avec la formule suivante :
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Considérons que l'on prennes des ampli opérationnels de type TL071, qui sont vraiment des entrées de gamme peu chers. Alors nous devons retenir les limitations suivantes :
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1) Si on alimente l'ampli op avec une tension de +/-5V alors nous sommes limités sur l'amplitude de la tension de sortie à environ +/-4.8V jusqu’à 200kHz. Donc si on souhaite mesurer des fréquences plus grande l'amplitude de sortie sera limité.
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2) Il est intéressant de ne pas avoir un gain trop différent de 1 pour éviter de se limiter sur la bande passante en boucle fermée. Ici on voit que pour un gain de 1, on arrive jusqu'a 1MHz, mais si le gain est fort (montré sur l'image a 10) alors la bande passante basse a quelques centaines de kHz
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Pour mesurer des tension plus importantes, nous avons besoin d'un pont diviseur en entrée. Ci-dessous un petit circuit [modélisé avec circuitLab](https://www.circuitlab.com/)
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En première partie a gauche un diviseur de tension par 100 avec des résistances de 5MOhms et de 50kOhms
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Sur la droite un amplificateur de mesure avec une résistance Rgain infinie (non connectée) et donc un gain de : Gain = (1 + 2 * R1 / Rg) (R3 / R2) ==> Gain = R3/R3 = 1
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En combinant les deux, nous avons bien une sonde divisant la tension par 100 et un ampli op permettant de calculer la différence entre les deux signaux d'entrée.
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## Compensation impédance
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Etant donné que dans l'ampli op lui meme, les entrées on une capacité parasite, le signal sera perturbé par ces capacités qui agiront comme un filtre passe bas.
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Ces capacités parasites peuvent être modélisées ainsi aux entrées de l'amplificateur opérationel. Il y a une capacité de chaque entrée par rapport au gnd appellée "common-mode" capacitance et une capacité entre les entrées appellée "differntial capacitance"
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Pour les compenser, un pont diviseur capacitif sera placé en parallèle des résistances
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Son objectif est de compenser le signal de manière à ce qu'il reste propre et que le couple résistances d'entrées + ampli op n'agissent pas comme un filtre passe bas écrasant la réponse en fréquence.
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Pour calculer les valeurs du pont capacitif nous avons besoin de compenser les 2 pF en mode commun des entrées de l'ampli opérationnel. Etant donné notre ratio désiré de 1/100 cela signifie que nous aurions besoin en entrée d'avoir 0.02pF ce qui est impossible à réaliser.
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En effet nous souhaitons avoir une plage de tension différentielle de 1000V (+500 sur l'entrée positive et -500 sur la négative). Pour réaliser cela, nous allons scinder les résistances d'entrées en une série de plusieurs résistances, il en va de meme pour les capacités. De cette manière chaque capacité aura environ la tension d'entrée divisée par le nombre de condensateurs à ses bornes.
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Si on prend pour hypothèse 0,02pF divisé en 5 condensateurs, cela n'est pas réalisable.
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On peut alors prendre le problème dans l'autre sens : qu'est ce qui serait réalisable. Partons du fait que nous avons 5 condensateurs de 10pF en série sur les entrées, soit un équivalent de 2pF. Pour que le pont diviseur capacitif ait le meme ratio que les résistances, il faut un autre condensateur par rapport au GND de 200pF. De ces 200pF nous avons déjà 2pF fournis par l'entrée de opérationnel. Il reste à installer en entrée 198pF environ.
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Les capacités de compensation sont ajoutée sur le pont d'entrée et sur les résistances de feedback des amplificateurs opérationnels.
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## Schéma final
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Le schéma proposé par lbarbisch reprends les hypothèses ci-dessus. Plusieurs composants sont ajoutés :
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1) Les résistances d'entrées sont arrangées en série pour que chacune ne soit pas exposée à des différences de potentiel top importantes. Avec 5 résistances et 5 condensateurs par pole, si on applique un potentiel de 500V par rapport à la terre, chacune "est soumise" à 100V uniquement.
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2) Les valeurs des résistances (5M en entrée et 50 kOhm à la terre) forment un pont de 1/100. Par rapport au schéma initial proposé sur le GIT, les valeurs de R11 sont ajustées. Elles étaient à 3,3kOhm et sont maintenant a 3kOhms.
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3) Les valeurs des condensateurs installés (2pF en entrée et 198.8pF + 2pF de capacité aop) forment un point de 1/100
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4) Des diodes Zener de protection vont "clipper" les entrées des ampli op. Cependant étant donné leurs capacitance variable et importante, je vais le retirer de mon circuit.
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5) J'ai mis deux ports USB-C en série, afin de pouvoir alimenter plusieurs modules en parallèles en les reliant par leur ports USB.
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Pourquoi retirer les diodes de protection sur les entrées des amplificateurs opérationnels ? Ces diodes ont une capacitance qui est non-négligeable de l'ordre de 300pF @ 0V à 100pF @ 5V.
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Je pense que dans le design proposé, ces diodes n'ont pas été prises en compte dans la compensation avec les capacités d'entrée. Etant donné que leur capacité change avec la tension inverse appliquée à la diode, elles sont quasi-impossibles à compenser.
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## Modélisation
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Dans KiCad un schéma à été réalisé pour recopier le design original. Quelques composants ont été remplacés par soucis d'économie/de simplicité:
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- Le connecteur de sortie est maintenant un BNC standard
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- Le connecteur USB est un 6P ne comportant que l'alimentation
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- Le régulateur DCDC fournissant les rails positifs et négatifs est une autre référence pour être 5 fois moins cher.
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- Les résistances sont toutes prise a 1% au lieu des 0,1% recommandées.
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- Les packages des résistances et condensateurs sont tous 805 ou 1206, c'est un peu plus grand mais beaucoup plus simple a souder à la main.
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Le PCB est légèrement agrandi pour faire rentrer les composants plus gros en package CMS 805, le design original prend des composants discrets en taille 603 que je n'ai pas envie de souder à la main.
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Les circuits imprimés sont envoyés pour préparation chez JLCPCB, vu le prix et la qualité du résultat il ne faut plus hésiter.
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