TP n°4 – Montage à ALI : amplificateur non-inverseur

TP n°4 – Montage à ALI : amplificateur non-inverseur
1 séance de 2h
Extraits du programme de TP et de cours :
Objectifs détaillés de la séance :
 Tracer la relation entrée-sortie de l’AO seul : distinguer 3 zones de fonctionnement
 Identifier les limitations de l’AO : saturation en tension, en courant, slew-rate, bande passante
 Observer l’instabilité du montage lorsque l’on inverse les bornes + et – de l’AO
Lors du TP2 modulation-démodulation-multiplexage, l’émission de signaux sonores audibles par un haut-parleur
a nécessité auparavant d’amplifier le signal à émettre (utilisation sortie audio smarthphone) Dans ce TP, nous
allons étudier spécifiquement un amplificateur à AO : le montage non-inverseur. Il sera utilisé pour amplifier le
signal sortant d’un smartphone (musique, conversation téléphonique) et ainsi rendre son émission audible depuis
un haut-parleur.
Les compétences visées par ce TP seront surtout : la réalisation et la validation.
La « datasheet » des AO TL081 éditée par ST-Microelectronics est jointe en annexe. Si les AO utilisés en TP sont
d’un autre type (TL071 par exemple), vous irez chercher sur internet la datasheet correspondante (choisissez
plutôt ST-micro si la marque des AO n’est pas inscrite dessus).
Dans les montages à AO, on n’oubliera jamais :
o
o
d’alimenter l’AO avec une alimentation stabilisée +15/-15 avant de réaliser le reste du montage
de relier la masse du circuit à la borne « 0 » de l’alimentation stabilisée
Si vous ne vous trompez pas dans le branchements des fils de l’alimentation +15/-15V, vous ne pouvez pas griller
l’AO : il est donc inutile de m’appeler pour valider le montage avant sa mise en route
1
Moreggia PSI 2015/2016
1. Régimes de fonctionnement de l’AO
1.1) Régler le GBF pour qu’il délivre un signal sinusoïdal de fréquence
et d’amplitude
. Le brancher sur
l’entrée différentielle de l’AO, et visualiser
et
à l’oscilloscope. Observer
en mode XY. En
conservant les branchements à l’oscilloscope, procéder simultanément à une acquisition sur LatisPro et imprimer
les deux courbes
et
superposées, puis la courbe
à part.
1.2) Conclure en distinguant 3 zones sur la caractéristique
, et en repérant les deux régimes de
fonctionnement de l’AO. L’acquisition est-elle suffisamment précise pour permettre de mesurer les valeurs de
auxquelles s’effectuent les deux transitions d’un régime à l’autre ? (essayer de zoomer, sur LatisPro ou sur
l’oscilloscope).
2. Mesure du gain du montage
Dans cette partie, on souhaite mesurer le gain du montage avec sa sortie en circuit ouvert (pas de circuit en aval).
2.1) Faire un schéma du montage. Repérer l’entrée et la sortie du montage. En supposant l’AO idéal en régime
linéaire, déterminer par le calcul le lien entre la sortie et l’entrée.
2.2) Réaliser le montage, en fixant le gain attendu à
, en utilisant des résistances supérieures à
.
Alimenter le montage avec un GBF délivrant une tension sinusoïdale d’amplitude
. Observer à l’oscilloscope
l’entrée et la sortie du montage. Effectuer un balayage rapide en fréquence (
jusqu’à
) et visualiser
l’évolution qualitative du gain. Que pouvez-vous conclure de cette observation ?
2.3) Tracer le diagramme de Bode (en gain uniquement) du montage. Ne pas prendre trop de points (moins de
10). On utilisera Excel pour ce tracé : tableau des valeurs d’amplitude et en fonction de la fréquence ; calcul
par Excel de la valeur du gain en décibels ; échelle logarithmique pour l’axe des abscisses à régler dans les
options de tracé. Imprimer le tableau des valeurs ainsi que la courbe obtenue.
2.4) Déterminer précisément la fréquence de coupure du montage. L’allure du diagramme de Bode est-elle
compatible avec la modélisation Passe-Bas du 1er ordre supposée en cours ? Le produit « gain-bande passante »
mesuré est-il conforme à la valeur annoncée par le constructeur ?
2.5) Tracer un nouveau diagramme de Bode en gain, en fixant le gain statique à
préalable l’amplitude du GBF à
. Le produit gain-BandePassante est-il conservé ?
, en ayant diminué au
3. Mise en évidence des limitations de l’ALI
3.1) Revenir au montage de gain statique égal à . Augmenter progressivement la tension délivrée par le GBF
depuis
, en travaillant à
. Rapporter les observations et vérifier qu’elles sont compatibles avec ce qui a
été annoncé en cours.
3.2) Fixer à nouveau la tension du GBF à
. Brancher une résistance réglable à la sortie du montage. En
diminuant sa valeur progressivement depuis
, noter le seuil à partir duquel la saturation en courant apparaît.
Quel critère permet de rejeter l’hypothèse d’une saturation en tension ? En déduire la valeur du courant de
saturation. Est-il conforme à la valeur annoncée par le constructeur ?
3.3) Régler le GBF pour qu’il délivre un créneau centré sur zéro et d’amplitude
. Augmenter sa fréquence
progressivement depuis
, et noter les observations. A partir de quel ordre de grandeur en fréquence voit-on
apparaître une triangularisation du signal ? La vitesse maximale de balayage mesurée est-elle compatible avec la
valeur annoncée par le constructeur ?
2
Moreggia PSI 2015/2016
4. Amplification du signal délivré par un smartphone
4.1) Mesurer l’amplitude de la tension délivrée par un smarthpone (on utilisera la sortie casque + un adaptateur
permettant de brancher la sortie casque au circuit de TP). Mesurer aussi la résistance interne du haut-parleur.
4.2) Quelle valeur du gain peut-on choisir pour l’amplificateur non-inverseur à interposer entre le smartphone et
le haut-parleur, sachant que l’on veut éviter toute saturation tout en maximisant le volume sonore délivré par le
haut-parleur ?
5. Comparateur à hystérésis
Inverser les bornes + et – du montage non-inverseur, et alimenter le montage par un signal triangulaire
d’amplitude suffisante. Faire une acquisition de l’entrée et de la sortie du montage. Mesurer les seuils de
basculement du comparateur ainsi réalisé.
3
Moreggia PSI 2015/2016
4
Moreggia PSI 2015/2016
5
Moreggia PSI 2015/2016
6
Moreggia PSI 2015/2016
7
Moreggia PSI 2015/2016
8
Moreggia PSI 2015/2016
Grille d’observation TP4
Date :
Noms binôme :
Comp.
REA
VAL
REA
REA
AUT +
REA
VAL
AUT +
REA +
VAL
REA +
VAL
REA +
VAL
Questions/observables
2.5) Méthode +réalisation +
réponse conservation gain*BP
3.1) Saturation en tension
3.2) Saturation en courant +
comparaison constructeur
3.3) Slew-rate + comparaison
constructeur
COM
Explications claires et détaillées
manip + réglages
COM
Présentation des mesures et
courbes appuyant les affirmations
AUT
AUT
Remarques/conseils
2.4) Identification nature montage
+ comparer gain*BP aux valeurs
constructeur
REA +
VAL
COM
ABCD
1.1) Régler le GBF + réaliser les
branchements avec soin +
réaliser l’acquisition avec les bons
paramètres
1.2) Conclure sur les régimes de
fonctionnement de l’AO seul +
remarque sur valeurs seuils de
l’entrée différentielle
2.2) Réaliser le montage + choix
valeurs résistances + estimer la
nature du montage rapidement
par balayage en fréquence
2.3) Tracé diagrammes de Bode :
méthodologie (peu de points,
bien situés, asymptotes sur
courbes imprimées)
2.4) Déterminer fréquence de
coupure : méthode + valeur
numérique
Utiliser un vocabulaire scientifique
adapté
- Maîtrise de l’oscilloscope
- Maîtrise du GBF
- Maîtrise de l’acquisition
- Recherche défauts éventuels
- Organisation générale paillasse
(couleurs des fils, nœuds…)
- Protocole prise de points pour tracer
une courbe
- Utilisation Excel
Ne faire appel au professeur qu’après
avoir défini précisément le problème
et avoir envisagé des solutions par
soi-même
9
Moreggia PSI 2015/2016