TP3-Aop (10-14) bis

AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL
I.
BUT E LA MANIPULATION
Utiliser l’amplificateur opérationnel (type bipolaire : LM741 ou type JFET : TL081) dans des
montages linéaires et non linéaires.
II. RAPPELS
1. Introduction
En général, les circuits à amplificateurs opérationnels utilisent la réaction de la sortie sur
l’entrée (réaction positive, réaction négative -contre réaction-, ou les deux à la fois). En effet,
ces amplificateurs ont un gain énorme en boucle ouverte (de l’ordre de 2.105 en courant continu
pour le LF 411).
Ainsi, en boucle fermée, le gain de l’amplificateur opérationnel devient contrôlable et sa valeur
ne dépend que des paramètres externes, à savoir les composants qui rentrent dans la réaction.
2. Amplificateur opérationnel idéal et réel
a. Présentation et brochage
Un amplificateur opérationnel (dit généralement ampli op, et abrégé par A.O), est un composant
analogique intégré linéaire. Il est monté dans un boitier de type DIL (Dual In Line). On trouve,
implantés sur une même puce, pour un amplificateur opérationnel du genre LM741, une
vingtaine de transistors, des résistances et des condensateurs réalisant, un amplificateur
différentiel à couplage direct. Il représente un circuit électrique qui n’amplifie que la différence
des signaux appliqués à ses entrées (entrée non inverseuse (e+) et entrée inverseuse (e-)). Il est
destiné à effectuer, sur des grandeurs analogiques, des opérations telles que : l’amplification,
l’addition, la soustraction, l’intégration, la dérivation, etc…
La figure 1 présente le schéma symbolique le plus couramment utilisé ainsi que la présentation
du type DIL d’un amplificateur opérationnel usuel.
10
Pour fonctionner, l’A.O. doit être alimenté par une source de tension continue symétrique. Le
point milieu de l’alimentation symétrique (de potentiel V = 0) définit la masse ou référence M
du montage. Les alimentations nécessaires à la polarisation sont +Vcc et -Vcc. Selon le modèle,
la tension Vcc varie de 3 à 24 V.
La tension de sortie Vs ne dépond que de la tension différentielle 𝜀𝑑 avec 𝜀𝑑 = 𝑒 + − 𝑒 −
ainsi 𝑉𝑠 = 𝐺0 × 𝜀𝑑 = 𝐺0 × (𝑒 + − 𝑒 − ). 𝐺0 étant le gain propre ou le gain en boucle ouverte
de l’ampli op.
b. Amplificateur opérationnel idéal
Les propriétés qui caractérisent un amplificateur opérationnel idéal sont :
•
Un gain en boucle ouverte infini ;
•
Une impédance d’entrée 𝑍𝑒 =
𝜀𝑑
𝑖𝑑
infini
(avec 𝑖𝑑 = 𝑖 + − 𝑖 − ) ;
𝑉𝑠
•
Une impédance de sortie 𝑍𝑠 =
•
Une bande passante 𝛥𝑓 infinie ;
•
Une fonction de transfert 𝑉𝑠 = 𝑓(𝜀𝑑 ) de la
𝑖𝑠
nulle ;
forme de la figure 2.
Figure 2
c. Amplificateur opérationnel réel
Un amplificateur opérationnel réel se caractérise par les propriétés suivantes :
•
Un gain en boucle ouverte 𝐺0 très grand au voisinage de zéro (entre 103 et 106);
•
Une impédance d’entrée 𝑍𝑒 très grande
(supérieure à 105 Ω) ;
•
Une impédance de sortie 𝑍𝑠 très faible
(inférieure à 200 Ω) ;
•
Une bande passante 𝛥𝑓 très large ;
Figure 3
11
•
Une fonction de transfert 𝑉𝑠 = 𝑓(𝜀𝑑 ) de la forme de la figure 3.
Cette représentation montre que la zone de fonctionnement linéaire de l’ampli op est définie
par l’intervalle (−𝜀𝑑0 , +𝜀𝑑0 ). En dehors de cet intervalle, la tension de sortie est saturée et
son signe est celui de la tension différentielle 𝜀𝑑 .
Afin de représenter toutes ces imperfections, la figure 4 établit un schéma équivalent de
l’ampli op réel. Les courants de polarisation 𝑖 + et 𝑖 − sont représentés par des sources de
courant, la tension de décalage par une source de tension 𝜀𝑑 , l’amplificateur interne représente
un amplificateur «idéal» de gain 𝐺0 .
Figure – 4 – schéma équivalent de l’ampli op réel.
III. MANIPULATION
1. Régime linéaire.
a. Amplificateur non inverseur
Réaliser le montage de la figure 5, en prenant : R1=10KΩ,
R2=120KΩ ou 1MΩ ;
En courant continu :
Figure 5
La tension d'entrée Ve est fournie par une alimentation réglable. Faire varier Ve. Mesurer Vs.
Compléter le tableau suivant :
Ve(V) -14
Vs(V)
-12
-10
-8 -6 -4 -2
0
2
•
Tracer la courbe Vs = f (Ve).
•
Déterminer la zone de linéarité de l’ampli utilisé.
En courant Alternatif :
12
4
6
8
10
12
14
•
Pour une tension Ve constante, Faire varier la fréquence f et mesurer Vs. Compléter le
tableau suivant :
f(Hz)
Vs(V)
•
•
Tracer sur papier semi-log la courbe de réponse en fréquence, 𝐺 = 𝑓(𝜔).
Pour R2=120KΩ et 1MΩ, déterminer la bande passante de l’amplificateur 𝛥𝑓 et comparer
les produits gain-bande passante (𝐺 × 𝛥𝑓). Conclure
b. Montage suiveur (cas particulier du montage précèdent)
•
Réaliser le montage de la figure 6 ;
•
Appliquer une tension d’entrée 𝑉𝑒 continue de +10𝑉 puis
de −10𝑉 et noter la tension de sortie 𝑉𝑠 pour 𝑖𝑠 = 0 (à vide) et 𝑖𝑠 = 10𝑚𝐴. Commenter
le résultat
•
En courant alternatif et à f=1KHz pour faire Ve et observer les formes
d’ondes à l’entrée et à la sortie du suiveur.
•
Déduire expérimentalement les limites de validité du modèle.
c. Amplificateur inverseur
•
Réaliser le montage de la figure 7, en prenant : R1=10KΩ, R2=100KΩ.
•
Donner la relation entre Ve et VS ;
•
En courant continu, la tension d'entrée Ve est fournie par une alimentation réglable. Faire
Figure 6
varier Ve. Mesurer Vs. Compléter
le tableau suivant :
Figure 7
Ve (V)
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Vs (V)
•
Tracer la courbe Vs = f (Ve). Déterminer sa pente et comparer la au rapport des
résistances utilisées.
13
12