TP GLEE 502 – seconde partie 2013/2014 ******************************************************************** Le travail proposé se déroule sur plusieurs séances, les maquettes seront conservées d’une séance à l’autre afin de permettre une continuité dans le travail. A la fin de chaque chapitre un compte rendu sera à réaliser. Ils seront à faire évaluer en cours de séance. Le compte rendu devra comprendre une introduction définissant l’objectif du travail réalisé et son intérêt. Il faudra faire la distinction entre les calculs théoriques (hypothèses incluses), les résultats expérimentaux obtenus et la confrontation entre résultats calculés et les résultats obtenus. Un soin tout particulier devra être apporté sur l’interprétation des résultats, les objectifs souhaités et ceux obtenus. La conclusion devra replacer ces résultats dans le domaine plus large de l’électronique analogique Attention la partie théorique se traite indépendamment de la partie pratique, seule cette dernière fait l’objet de l’énoncé ci-dessous. ******************************************************************** TP GLEE 502 Structure de base d’un AOP 1) Introduction On étudie l’amplificateur à transistors de la figure 1. L’objectif de ces séances est d’appréhender le rôle des 3 étages constituant un amplificateur opérationnel : l’étage différentiel, l’étage de gain et l’étage de puissance (non représenté sur la figure 1). Pour simplifier le travail ce dernier étage (étage push-pull) ne sera pas câblé au départ. La caractérisation portera sur la paire différentielle d’entrée constituée par les transistors PNP notés Q1 Q2, et sur l’étage de gain constitué lui-même d’un transistor NPN Q3 monté en collecteur commun (émetteur suiveur) et d’un transistor NPN Q4 monté en émetteur commun. Le rôle de la capacité de compensation C2 sera également étudié. L’étage de puissance sera à réaliser. Des améliorations telles que l’augmentation de l’impédance d’entrée ou de la dynamique de l’amplificateur à travers la charge active pourront également être envisagées. 2) Etude de la polarisation des transistors et leurs paramètres dynamiques La paire différentielle utilise deux transistors PNP appairés issus d’un circuit intégré SSM2220 dont le brochage est donné figure 2. Le reste du montage par commodité sera réalisé avec des transistors NPN Q2N2222 ou équivalent. Réaliser le montage complet proposé figure 1. Mesurer la tension continue en sortie du montage et régler le potentiomètre R11 de telle sorte que cette tension soit nulle. Relever la valeur de R11. Relever les points de polarisation des transistors puis mesurer les paramètres statiques et dynamiques associés à ces valeurs pour chacun des transistors (gain statique, tension d’Early, gain dynamique, résistances dynamiques d’entrée et de sortie). Ces paramètres Structure de base d’un AOP Page - 1 - TP GLEE 502 – seconde partie 2013/2014 seront obtenus en utilisant les traceurs de caractéristiques à disposition sur les paillasses. Attention pour ces mesures les composants doivent être sortis du montage. Pour le transistor NPN Q4 mesurer et tracer la variation du gain statique en fonction de la valeur du courant de collecteur pour une tension émetteur-collecteur constante. La valeur de la tension sera celle de la tension émetteur-collecteur de Q4 dans le montage. Pour interpréter les résultats on relèvera en même temps la variation du courant de base et du courant de collecteur en fonction de la tension base-émetteur. 3) Etude de la linéarité de la paire différentielle Ajouter l’étage de gain et vérifier que les points de polarisation de Q1 et de Q2 ne sont pas affectés et mesurer Vout = f(Vin). Etudier l’effet d’une tension continue sur une entrée (l’autre est mise à 0 V) et relever les variations de tension sur les collecteurs : VC1 = f(Vin) , VC2 = f(Vin) , Vout = f(Vin) et VE1=f(Vin). Vin est une tension continue appliquée sur une des entrées de la paire différentielle. On effectuera ces mesures dans la gamme où la tension VBE des transistors n’est pas fortement modifiée. Réaliser les mêmes mesures en appliquant Vin sur les deux entrées simultanément. Comment peut-on à partir de ces résultats voir l’effet qu’auraient des tensions d’entrée parfaitement opposées sur les tensions VC1 , VC2 et Vout ? Pour éviter le problème dû à la résistance R1 sur le comportement de la paire différentielle concevoir un miroir de courant qui délivrera le même courant de polarisation de la paire différentielle. Refaire les mesures précédentes. 4) Etude en dynamique Etudier l’effet d’une variation de tension sur une entrée (l’autre est mise à 0 V) et relever les variations de tension sur les collecteurs : vc1 = f(vin) , vc2 = f(vin) , vout = f(vin) et ve1=f(vin). vin est une tension sinusoïdale appliquée sur une des entrées de la paire différentielle. Ce placer dans la bande passante du circuit. Réaliser les mêmes mesures en appliquant vin sur les deux entrées simultanément. Comment peut-on à partir de ces résultats voir l’effet qu’auraient des tensions parfaitement opposées appliquées sur les entrées sur les tensions vc1 , vc2 et vout ? On tracera également le diagramme de Bode de notre amplificateur avec la capacité de compensation et sans la capacité de compensation. Réaliser avec l’amplificateur un montage de type suiveur de tension et réaliser la mesure du slew rate de votre amplificateur. Pour réaliser cette mesure il faudra vérifier que l’amplitude du signal reste dans la zone où la tension VBE n’est pas modifiée. (Pour le calcul on prendra comme conditions initiales Vout=0 V et Vin en entrée. Cet état hors équilibre Structure de base d’un AOP Page - 2 - TP GLEE 502 – seconde partie 2013/2014 permet de calculer le courant dans le condensateur) Refaire la mesure sans le condensateur de compensation. 5) Réalisation de l’étage de puissance Attention dans cette partie il est important de vérifier les puissances dissipées. Cet étage est donné figure 3 et est destiné à amplifier le courant de sortie de l’amplificateur opérationnel. Réaliser dans un premier temps le montage seul et observer la forme d’onde obtenue à partir d’une sinusoïde appliquée en entrée. Quel est le gain en tension du montage ? Quel est le gain en courant ? Quel est le rôle des résistances de 47 Ω ? Pour éviter la distorsion de croisement on utilise un transistor de compensation. Le schéma complet de l’étage de gain et du push-pull est donné figure 4. Analyser ce circuit et le réaliser. FIGURES Figure 1 : Etage 1 et 2 de l’amplificateur Remarque : Une erreur sur le document fourni par le fabriquant fait apparaitre des transistors NPN alors qu’ils sont de type PNP. Structure de base d’un AOP Page - 3 - TP GLEE 502 – seconde partie 2013/2014 Figure 2 : Brochage du SSM 2220. 12 V R11 Q1 2k 12 V 3096NPN Q1 4.7k 3096NPN 6.8k R12 Q8 R13 R1 47 Sortie 3096NPN C2 R1 47 Q5 R2 47 470p Q2N2222 R2 47 3096PNP Q6 Q2 Q2N2222 R6 3096PNP 3.3k R7 330 Q2 -12 V -12 V VOFF = Figure 3 : Structure push-pull élémentaire. Figure 4 : Etage de gain et de puissance de l’amplificateur. Structure de base d’un AOP Page - 4 -