AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL I
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Travaux Pratiques Filière Physique Chimie Cycle Secondaire Qualifiant AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL I - PRESENTATION DU COMPOSANT I-1- Repérages des broches (ou bornes) Extérieurement, l’AO se présente comme un petit parallélépipède rectangulaire muni de huit (8) broches destinées à le relier au reste du circuit. 1 et 5 : réglage du décalage en tension (offset). 2 : entrée inverseuse (e-). 8 7 6 5 3 : entrée non inverseuse (e+). 4 : alimentation négative –Vp ; ( -Vp = -15v). 6 : sortie. 7 : alimentation positive +Vp ; ( +Vp = +15v). 8 : non connectée. Encoche de repérage 1 2 3 4 Vue de dessus de L’A.O. A l’intérieur, l’A.O. est un circuit intégré, c’est à dire un ensemble de transistors, de diodes, de résistances, et de condensateurs placés à la surface d’un cristal semi-conducteur tel que le silicium (puce) et reliés entre eux de manière à donner au composant des propriétés voulues. Pour notre étude, nous considérons l’A.O. comme une boite noire . I-2- Symboles et notations : En général, le circuit de polarisation de l’A.O. n’est pas présenté dans les schémas des montages à A.O. L’utilité de cette alimentation est de fournir de l’énergie à l’A.O. pour qu’il puisse amplifier la tension différentielle : e = e+ - e- . 2 +Vp (entrées ) e 7 6 S(sortie) 3 + 4 e-Vp + e Vs II – CARACTERISTIQUE STATIQUE DE TRANSFERT EN SORTIE OUVERTE II-1- Observation à l’oscilloscope. - Réaliser le montage ci-contre et observer l’oscillogramme en position XY. - Déterminer les tensions maximale et minimale de sortie appelées tensions de saturation et notées Vsat+ et Vsat- respectivement. - Vérifier, que l’AO est saturé pour toute fréquence et toute amplitude du GBF. On prend: R = 100 k Ω f = 100 Hz e S + eGBF R e+ Vs II-2- Simulation par le logiciel ‘P spice’. - Lancer le logiciel à partir du menu programme en cliquant sur DesignLabEval 8 puis sur schematics. Lh. KADIRA CRMEF FES 1/5 2014/1015 Travaux Pratiques Filière Physique Chimie Cycle Secondaire Qualifiant Conformément aux directives du document Annexe 1 ; - Saisir le schéma. - Paramétrer la simulation : Directive DC. - Lancer la simulation et Déterminer les valeurs de Vsat+ ,Vsat- , le gain statique et la tension de décalage Ed. Suivant les directives du document Annexe 2 ; - Saisir le schéma. - Paramétrer la simulation : Directive DC. - Lancer la simulation et donner les valeurs de Id+ et Id- les courants de décalage à l’entrée non inverseuse respectivement inverseuse . Conclusion générale concernant l’AO réel ? Vs II-3- Modélisation de L’AO en régime statique. L’équation de la caractéristique peut se mettre sous la forme : En fonctionnement non linéaire ou de saturation. Vs= +Vsat pour e > +el Vs= -Vsat pour e < -el En fonctionnement linéaire (en amplification). Vs= A e pour -el< e < +el . +Vsat -el e +el -Vsat el est une tension positive très petite de l’ordre de quelques dixièmes de mv. A(Facteur d’amplification statique de L’AO ) est très grand de l’ordre de 105. II-4- Modélisation de L’AO parfait ou idéal. Pour simplifier l’étude théorique, on définit un modèle parfait de l’AO qui permet de rendre compte de son comportement dans de nombreux cas. L’équation de la caractéristique de ce modèle idéal se met sous la forme : Vs En fonctionnement non linéaire ou de saturation. +Vsat Vs= +Vsat pour e > 0 Vs= -Vsat pour e < 0 e En fonctionnement linéaire (en amplification). -Vsat -Vsat< Vs < +Vsat pour e = 0. Remarque : La moindre tension différentielle à l’entrée provoque la saturation de l’AO il ne peut donc être utilisé en boucle ouverte (c’est à dire seul) : Il faut l’associer à d’autres composants externes tels que résistances, capacités, inductances … à travers lesquels on ramène une fraction de la sortie vers l’entrée ; l’AO est dit alors réactionné. La réaction est dite négative ou contre réaction pour l’entrée inverseuse et sera appelée réaction positive pour l’entrée non inverseuse . entrées sortie AO Réaction III - MONTAGES à AO EN FONCTIONNEMENT LINEAIRE. III - 1 - Amplificateur inverseur. Lh. KADIRA CRMEF FES 2/5 2014/1015 Travaux Pratiques Filière Physique Chimie Cycle Secondaire Qualifiant Etablir d’abord l’expression (G = Vs/Ve = - R2/R1 ) du gain du montage suivant : R2 = 15k Ω R1=10k Ω e AO: 741 S + Ve Vs a/ Caractéristique statique du montage. Conformément à II - 2; - Saisir le schéma. - Paramétrer la simulation : Directive DC. - Lancer la simulation et Déterminer les valeurs de Vsat+ ,Vsat- , le gain statique et les tensions Ve+ et Ve(tensions limites de la zone linéaire). b/ Fonctionnement linéaire en régime variable sinusoïdal. -Appliquer un signal sinusoïdal de fréquence 1kHz et d’amplitude Ve = 5V. -Mesurer (à l’aide d’un oscilloscope réel ou simulé ) le gain et comparer à la valeur théorique. Vérifier l’inversion du signe. c/ Limitation du régime linéaire. *Limitation en tension : augmenter l’amplitude Ve et vérifier qu’il y’a saturation en tension du signal de sortie .Remesurer les valeurs de Vsat+ et Vsat-. *Limitation en courant : Brancher une résistance Ru variable entre la sortie et la masse. Constater que pour Ru < R0 il apparaît un phénomène de saturation qui se traduit par un écrêtage du signal de sortie .Déterminer R0 et le courant ismax débité par l’AO en sortie. *Limitation en fréquence : Ru débranchée. **Vitesse de balayage : - Prendre une amplitude Ve= 5V. - Augmenter la fréquence, visualiser à l’oscilloscope le signal de sortie et observer sa déformation pour les hautes fréquences. - A fréquence élevée constante diminuer Ve et vérifier que le signal redevient sinusoidal. Note : Ce phénomène est lié à l’existence de la vitesse de balayage définie par : S = (dVs(t)/dt)max ; Slew rate Pour une tension de sortie de type Vs(t) = Vs Sin(2πft) , S= 2πfVs Cos(2πft). Ainsi 2πfVs doit être inférieure à S pour que le circuit fonctionne en régime linéaire. **Effet de la fréquence sur le gain : Injecter un signal d’entrée d’amplitude Ve la plus basse possible ( afin d’éviter la limitation de la vitesse de balayage). Prendre un gain G1=1.5 ( R1= 10k , R2= 15k ) puis un gain G2= 10 ( R1= 10k , R2= 100k ) et mesurer les fréquences de coupure respectives fc1et fc2 ( la fréquence de coupure fc est définie par GdBmax – GdB(fc) = 3 dB). Montrer que le facteur de mérite G.fc est constant ; donner sa valeur numérique. *Comparer les valeurs mesurées aux valeurs données par le constructeur (pour l’AO 741 ismax= 20mA , S = 0.5 V/μs , Gain*Bande passante = 1MHz ). Lh. KADIRA CRMEF FES 3/5 2014/1015 Travaux Pratiques Filière Physique Chimie Cycle Secondaire Qualifiant d/ Conclusion : L’A.O. fonctionne en régime linéaire dans ce montage si les conditions suivantes sont satisfaites : -Vsat< Vs < +Vsat ;is<ismax ; 2πfVs< S ; f <<fc. III -2 - Amplification sans inversion: Etablir d’abord l’expression (G = Vs/Ve = 1+ R2/R1 ) du gain du montage suivant R2 = 15k Ω R1=10k Ω e AO: 741 S + Ve Vs On pourra reprendre le même travail qu’en (III-1-) par simulation au logiciel Pspice par exemple. *Cas particulier du montage suiveur ; c’est un amplificateur non inverseur de gain = 1, les résistances sont remplacées par des fils. Injecter un signal sinusoidal (f=1000Hz), constater que les deux tensions de sortie et d’entrée sont égales. Intérêt : Le suiveur est caractérisé par sa grande résistance d’entrée et sa résistance de sortie très faible ; il est utilisé comme adaptateur ( isole la source de charge). III-3- Montage intégrateur : R2 = 150k Ω C = 0.1nF R1=10k Ω e Ve AO :741 + S Vs -Etablir l’expression de Vs en fonction de Ve et retrouver la relation Vs= -(1/R1C) ∫ Ve(t) dt . -Choisir R1 et C tels que R1.C.w0= 1, w0 étant la pulsation fondamentale du signal (Ce choix n’est pas critique mais donne un signal de sortie dont l’amplitude est voisine de celle du signal à l’entrée).Attention l’impédance vue par le GBF est R. -Injecter des signaux carrés (la fréquence n’est pas critique). -Injecter des signaux triangulaires puis sinusoïdaux. IV MONTAGES à AO EN FONCTIONNEMENT NON LINEAIRE. IV-1- Comparateur simple : Préliminaire : Dans cette manipulation l’AO fonctionne en régime non linéaire. Si e>0 alors Vs= +Vsat,dans le cas e<0 alors Vs= -Vsat. -Vérifier que la tension de l’entrée de l’AO vaut bien +Vp*R2/(R1+R2)[résultat à établir]. Lh. KADIRA CRMEF FES 4/5 2014/1015 Travaux Pratiques Filière Physique Chimie Cycle Secondaire Qualifiant -Vérifier que si le générateur est éteint (Ve=0), la sortie est à –Vsat. +Vp R2 = 10k Ω R1=10k Ω S e + Ve Vs Manipulation : *Ve est continue : Augmenter l’amplitude Ve, observer le basculement de Vs de –Vsat à +Vsat pour une valeur de Ve que l’on identifiera. *ve est sinusoïdale : -Visualiser ve(t) et vs(t) à l’oscilloscope et interpréter. -Visualiser la courbe vs(ve). IV-1- Comparateur à hystérésis : La tension d’entrée est comparée à une fraction de la tension de sortie. R1= 10kΩ R2= 10kΩ R2 = 10k Ω + R1=10k Ω AO= 741 e S Ve Vs * Hystérésis : Apparition d’un retard dans l’évolution d’un phénomène physique par rapport à un autre dont il dépend. *Fonctionnement du montage : Si Ve < Ve+ = +(R1/R1+R2).Vsat Si Ve > Ve- = -(R1/R1+R2).Vsat Vs = +Vsat. Vs = - Vsat. *Manipulation : -Injecter un signal sinusoïdal à l’entrée, visualiser la caractéristique du montage et mesurer les tensions Ve+ et Ve- . -Vérifier que la sortie est un signal créneau et ce quel que soit la forme du signal d’entrée. Lh. KADIRA CRMEF FES 5/5 2014/1015
