LU3EE200 Techniques et dispositifs pour l'électronique analogique et numérique Chapitre n° 2 : L’Amplificateur Opérationnel Réel et ses applications Un peu d’histoire • Concept présenté en 1947, par John R. Ragazzini • « As an amplifier so connected can perform the mathematical operations of arithmetic and calculus on the voltages applied to it's input, it is hereafter termed an « Operational Amplifier » », Analysis of problems in dynamics by electronic circuits, Proceedings of the IRE, vol. 35, mai 1947, p. 444 • Premiers AOP (Bob Widlar / Fairchild) – μA702 (1963) 300$ – μA709 (1965) 70$ → 6$ – μA741 (1968, David Fullagar) → 2$ BJT • Compensé en fréquence – TL081, TL082, TL084 (Années 70) – CA3140 (Années 70) BiFET BiMOS 2 Un peu d’histoire Référence Type Impédance d'entrée Courants d'entrée Slew Rate Produit Gain Bande Courant de court circuit μA741 Bipolaire 2 MΩ 80nA 0,5 V/μs 1 Mhz 25mA TL081 Bifet 1012Ω 20nA 16 V/μs 4 Mhz 40mA Bimos 1012Ω 10pA 9 V/μs 4,5Mhz 40mA CA3140 3 AOP et AOP idéal VDD Entrée non-inverseuse V+ V- ε Vout = AVD.(V+-V-) + - Entrée inverseuse VSS Alimentations 4 AOP et AOP idéal VDD Entrée non-inverseuse V+ V- ε Vout = AVD.(V+-V-) + - Entrée inverseuse Alimentations VSS AOP idéal : • • • • • AVD ∞ → en régime linéaire V+ = VZin ∞ → I+ = I- = 0 Zout = 0 Pas de délais, transition nulle VSS ≤ Vout ≤ VDD 5 Structure interne TL081/TL082/TL084 • 3 étages – 2 étages d’amplification – 1 étage de sortie 6 AOP Idéal vs AOP Réel 1 AOP sur un CI 2 AOP sur un CI 7 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C AOP idéal μA741C AVD Large-signal differential voltage amplification ∞ 200V/mV (RL ≥ 2kΩ) Ri Input resistance ∞ 2MΩ (typ) Ro Output resistance 0Ω 75Ω (typ) 8 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C AOP idéal μA741C AVD Large-signal differential voltage amplification ∞ 200V/mV (RL ≥ 2kΩ) Ri Input resistance ∞ 2MΩ (typ) Ro Output resistance 0Ω 75Ω (typ) = . 1+ 1 1+ . 1 1+ ≈ 1+ Valeurs typiques : A0 = 105 à 106, f0 = 2 à 20Hz, f1 autour de 1MHz 9 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C Ci Input capacitance AOP idéal μA741C - 1,4pF (typ) Ci est la somme des effets capacitifs « vus » ou modélisés en entrée de l’AOP. 10 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C AOP idéal μA741C ∞ 90dB (typ) CMRR = − + = 11 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C AOP idéal μA741C VIO Input offset voltage - 1mV (typ) 5mV (max) IIO Input offset current 0nA 20nA (typ) IB Input bias current 0nA 80nA (typ) VIO Les valeurs de ces courants étant très petites, on pourra continuer de les négliger 12 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C AOP idéal μA741C VICM Common-mode input voltage range ±15V ±13V VOM Maximum peak output voltage swing ±15V ±14V (RL = 10kΩ) ±13V (RL = 2kΩ) En regime non-linéaire la valeur de la charge joue sur les tensions de seuils 13 UA741 – Doc Texas Instrument RL ↘ → VOM ↘ Si RL = 1kΩ • +15 ⁄− 15 ⇔ → +30 ⁄0 ⇔ ! ⁄0 ⇔ ! → 10 ⁄0 ⇔ ! → ! = = ±12,2 = 15 ± 12,2 2 ± 12,2 × 30 10 = 5 ± 12,2 × = 5 ± 4,06 30 14 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C AOP idéal μA741C IOS Short-circuit output current - ±25mA (typ) ±40mA (max) ICC Supply current (no load, Vo = 0) - 1,7mA (typ) 2,8mA (max) PD Total power dissipation (no load, Vo = 0) - 50mW (typ) 85mW (max) 15 AOP Idéal vs AOP Réel • Conditions de mesure du Slew-Rate 16 AOP Idéal vs AOP Réel VCC± = ±15V, TA = 25°C SR Slew rate at unity gain VI = 10V, CL = 100pF RL = 2kΩ AOP idéal μA741C Transition instantanée 0,5V/μs Vout +15V AOP idéal AOP réel t -15V 60μs 17 Suiveur • Tension de référence en mono-alimentation Suiveur 18 Amplificateur non-inverseur En courant continu En courant alternatif (,) = 4=+ . . + + + ./0 + ≅+ . . + + + + 1 . 1+ . . 6 . 123 , + + = . + . + + + 19 Amplificateur non-inverseur (,) = ./0 = . . + + + 1 . 1+ . . + + . 123 , + A.N. : A0 = 105, f0 = 10Hz, R1 = 1kΩ, R2 = 20kΩ En courant alternatif : 1 + . 123 − + |A|dB .1 78 79 1 :123 +100dB + vin vout +74dB +60db + + +26dB +20db vin + + + vout 0dB - f 1Hz 10Hz 1kHz 1MHz 50kHz -20db 20 Amplificateur inverseur En courant continu En courant alternatif , = 4=− . . + ./0 − + . ≅− . + + 1 . 1+ . + + . 6 = . . 123 , + . + + + 21 Amplificateur inverseur , = En courant alternatif : 1 = . − + ./0 − . . + + 1 . 1+ . . + + . 123 , + + vin . 123 − + − vout + .1 - + + vin − + vout - 22 Additionneur / Soustracteur R1 R V1 R2 V2 Vout R3 V3 R4 V4 = ./0 + − Vi(t) = Vref + vi(t) , pour i = 1 à 4 . + − . + + // // . <. = + =+ =. < < 23 Tensions de référence différentes Différentiateur de tension = ./0 + − .Ԑ + + . 123 (,) 24 Changement de tension de référence • Amplification d'un signal moyenné sur 0V - Filtre passe-haut de fréquence de coupure fc << f0 - Elévateur de tension de Vref Pour récupérer la composante alternative de Vout on utilisera un autre filtre passe-haut 25 Trigger inverseur • = → = + = + > . . ./0 2 + . + + . + 2 + + . 2 23 = • 2 + + =0→ = = + 2 − . , = ./0 + 123 , AB 2 < . ./0 + + = . − + 2 . ./0 AB 26 Trigger non-inverseur 23 , = ./0 + 123 , 2 − . 2 2 + . 2 27 Oscillateurs • Générateur de signaux carrés En alimentation VDD/VSS : VT− − VDD VT+ − VSS T = RC.ln + .ln − V − V V − V T DD SS T 28 Oscillateurs • Générateur de signaux carrés (avec porte CD4093) 29 Oscillateurs • Oscillateur à pont de Wien – Il y a une fréquence d’ « accrochage » fixée par le gain de l’amplificateur et le produit RC – Grande précision nécessaire – R2réel légèrement plus élevé que R2théorique 30 Méthode d’analyse d’un montage à AOP • Par défaut on le considère idéal – Mono-alimentation • Mais dès qu’on donne un paramètre réel il faut en tenir compte: – AVD (on peut le considérer infini pour l’analyse en courant continu d’un montage linéaire) – AVD0 et f0 → Probable analyse en fréquence – Slew-Rate – Tensions de saturation – Influence de la charge → valeurs maximales et minimales en sortie – Influence de Zout → uniquement si on le donne et si la charge est faible 31 32 UA741 – Doc Texas Instrument RL ↘ → VOM ↘ Si RL = 1kΩ • +15 ⁄− 15 ⇔ → +30 ⁄0 ⇔ ! ⁄0 ⇔ ! → 10 ⁄0 ⇔ ! → ! = = ±12,2 = 15 ± 12,2 2 ± 12,2 × 30 10 = 5 ± 12,2 × = 5 ± 4,06 30 33
