Laboratoire 1 - Université Laval

Laboratoire1
Lesamplificateursopé rationnels:
Montagesdebase1
GabrielGagnon-TurcotteetBenoitGosselin
UniversitéLaval-Hiver2017
Objectifs
ü Familiarisationaveclesconfigurationsdebaseimpliquantdesamplis-op
ü RéalisationdesschémasetsimulationSPICEdecircuitsàbased’ampli-op
ü Réalisationetvalidationdemontagesdecircuitsàbased’ampli-op
Description
Cetravailpratiqueapourbutd’effectuerlasimulationetlemontagedeplusieurscircuitsàbase
d’ampli-op. Vous simulerez d’abord chaque circuit à l’aide d’Altium Designer et validerez
ensuite le montage expérimentalement au laboratoire. Les circuits en question comptent le
suiveur de tension, l’inverseur, le non-inverseur et l’additionneur de tensions. Il est
recommandédeconsulterlesspécificationstechniquesdesamplis-oputilisésdanslasection
«références»dusitewebducours.
Partie1. SimulationSPICEetquestionspré-laboratoire
1.
1.1.
Répondez aux questions suivantes avant de vous présenter au laboratoire. N’oubliez pas
d’imprimezvoscourbesetvosréponsesafindelesremettreàl’assistantendébutdeséance.
Pour toutes les simulations, utilisez VDD = 5V et VSS = -5V. En simulation, rajoutez une
résistancedesourcede50ohmsensérieaveclessourcesdesignal(ex.:VSIN,VPULSE,
etc.)pourémulerlecomportementdessourcesréelles(voirlaFigure1).Utilisezlalibrairie
associée et référez-vous au Didacticiel Altium Designer pour savoir comment l’intégrée au
projet.
Lesuiveurdetension
Lemontagesuiveurdetensionestuncircuitenboucleferméequiàgainunitaire,impédance
d’entréeélevéeetimpédancedesortiefaible.LaFigure1montreunsuiveurdetensionutilisant
l’ampli-opLM358delacompagnie«NationalSemiconductor».
RéalisezleschémadusuiveurdetensionprésentéàlaFigure1dansAltiumDesigner.
1.2.
EnutilisantAltium,tracezlescourbesdegainetdephase(Bode)pourlesuiveurdetension.
Imprimezvoscourbes.
1.4.
En utilisant Altium, trouvez le slew rate et la largeur de bande grand signal du suiveur de
tension en observant sa réponse fréquentielle et sa réponse temporelle. Pour la réponse
1.3.
ToujoursavecAltium,relevezlafréquencedecoupuredecetteconfigurationparsimulation.
Annotezlafréquencedecoupuresurlacourbedegainobtenue.
2
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
Figure1:Lesuiveurdetension.
temporelle,utilisezunesourcedetensionpulsée(VPULSE)danslalibrairie«Simulation»et
connectez-laàl’entréeducircuit.Configurezcettesourcepulséecommesuit:
DCMagnitude=0, ACMagnitude=1, ACphase=0,
InitialValue=0, PulsedValue=1, TimeDelay=0,
RiseTime=0,
FallTime=0,
PulseWidth=10u, Period=20u,
Phase=0.
Montrezlatensiondesortieobtenueetindiquezlapentedel’échelondesortiesurlacourbe.
1.4.1. Quelleestlavaleurduslewratepourcetampli-op?
2.
2.1
2.2
1.4.2. QuelleestlalargeurdebandegrandsignalsiVomax=4.980V(référez-vousauxnotesde
cours)?
L’inverseur
La Figure 2 montre un amplificateur inverseur basé sur l’ampli-op TL082, aussi de la
compagnie « National Semiconductor ». Le signal d’entrée est branché à une borne de la
résistance R21 qui est branchée à l’entrée négative de l’ampli-op. Par conséquent, le signal
d’entréeestdéphaséde180degrésàlasortie(ouinversé).LesrésistancesR21etR22permettent
d’appliquerlarétroactionnégativeetderéaliserungainstableenbouclefermée.
RéalisezleschémaducircuitinverseurprésentéàlaFigure2dansAltiumDesigner.
EnutilisantAltium,tracezlescourbesdegainetdephase(Bode)pourl’inverseur.Imprimez
voscourbes.
3
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
2.3
ToujoursavecAltium,relevezlafréquencedecoupuredecetteconfigurationparsimulation.
Annotezlafréquencedecoupuresurlacourbedegainobtenue.
Figure2:L’amplificateurinverseur.
2.4
3.
3.1
Faitesuneanalyseparbalayagepourlecircuitdel’inverseur.FaitesvarierR 221kà20kavec
unpasde4k.Tracezlesréponsesfréquentiellescorrespondantes.Quepeut-onapprendrede
cescourbes?
L’additionneur
La Figure 3 montre un circuit additionneur à deux entrées basé sur l’ampli-op TL082.
L’additionneuresttrèssimilaireàl’amplificateurinverseur.Ilfournitungainenbouclefermée
et inverse les signaux d’entrée. Ces multiples entrées permettent d’additionner plusieurs
tensionsàlasortie.
RéalisezleschémaducircuitadditionneurprésentéàlaFigure3dansAltiumDesigner.
Figure3:Lecircuitadditionneur.
3.2
Simulezlecomportementducircuitadditionneuràl’aided’unesimulationtemporelle.Utilisez
deuxsourcessinusoïdalesd’amplitudesetdefréquencesdifférentes.Imprimezvoscourbes.
4
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4.
Lenon-inverseur
Aulieudebrancherlesignald’entréeàl’entréenégativedel’ampli-opcommepourl’inverseur,
onlebrancheàl’entréepositiveafind’obtenirlecircuitnon-inverseurmontréàlaFigure4.Le
signal de sortie du circuit non-inverseur aura la même phase que le signal d’entrée. Comme
pour l’inverseur, le non-inverseur compte une résistance dans la boucle de rétroaction afin
d’amplifier le signal. Ce circuit utilise l’ampli-op LMC6482 de la compagnie « National
Figure4:L’amplificateurnon-inverseur.
Semiconductor».
4.1.
Réalisezleschémaducircuitnon-inverseurprésentéàlaFigure4dansAltiumDesigner.
4.2.
En utilisant Altium, tracez les courbes de gain et de phase (Bode) pour le non-inverseur.
Imprimezvoscourbes.
4.4.
L’ampli-op LMC6482 est un amplificateur rail-à-rail. Expliquez en quoi consiste cette
caractéristiqueetdémontrez-laàl’aided’unesimulationparbalayage.Pourcefaire,effectuez
lesétapessuivantes:
4.4.1. Double-cliquez sur le symbole de la source sinusoïdale dans votre schéma du noninverseur.Danslapartiede«Models»,cliquezsurlebouton«Edit».Lafenêtre«Sim
Model » s’ouvre. Ensuite, cliquez sur l’onglet « Parameters » comme montré dans la
Figure5.
4.3.
ToujoursavecAltium,relevezlafréquencedecoupuredecetteconfigurationparsimulation.
Annotezlafréquencedecoupuresurlacourbedegainobtenue.
4.4.2. Ilestpossibled’effectueruneanalyseparbalayageàl’aidedevaleursparamétriques.
Poureffectuerunbalayagedel’amplitudecrêtedusignald’entrée,entrer{vx}comme
valeur d’amplitude de la source. N’oubliez pas les accolades. Confirmez toutes les
fenêtresencliquantsur«OK».
4.4.3. Ouvrezlafenêtre«AnalysesSetup».Cliquezsurlapartie«GlobalParameters».Cliquez
surlebouton«Add»pourcréerunnouveauparamètre.Entrez«vx»danslacolonne
«Parameter»et«1m»danslacolonne«value»,commeillustréàlaFigure6.
4.4.4. Ensuite, comme montré à la Figure 7, cliquez sur la partie « Parameter Sweep » et
choisissez « vx » pour le balayage. Entrez 100m comme valeur pour « Start Value »,
500mcommevaleurpour«StopValue»,et100mcommevaleurpour«StepValue».
Surtout,n’oubliezpasd’activerl’analyse.
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
4.4.5. Enfin,démarrezlasimulation.Imprimezlescourbesobtenuesetrelevezlatensionde
sortiepourlaquellel’amplificateurcommenceàsaturer.Expliquezvosrésultats.
Figure5:Configurationdel’analyseparamétriqueparbalayage:lafenêtre«SimModel».
Figure6:Configurationdel’analyseparamétriqueparbalayage;lafenêtre«AnalysesSetup–Global
Parameters».
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Figure7:Configurationdel’analyseparamétriqueparbalayage:lafenêtre«AnalysesSetup–ParameterSweep».
Partie2. Travauxàeffectueraulaboratoire
Cettepartiedutravails’effectueauPLT-3101etconsisteàréaliserlesmontagesdescircuits
illustrés sur les Figures 1 à 4. Rapportez les valeurs demandées (celles en gras dans le
protocole) dans votre rapport, comparez-les avec les valeurs simulées et discutez de vos
résultats.Advenantlecasouvosrésultatsneconcorderaientpastoutàfaitaveclasimulation,
tentezuneexplication.
1. Montagedusuiveur
1.1. MontezlecircuitdelaFigure1survotrebreadboard.Choisissez+5Vpourl’alimentationpositive
et-5Vpourl’alimentationnégativeetbranchezcestensionsaucircuit.
1.2. Ensuite,appliquezunetensionsinusoïdaled’unefréquencede10kHzetd’uneamplitudecrête
de 0.5 V à l’entrée du circuit et regardez sa sortie à l’oscilloscope. Rapportez la capture
d’oscilloscope de Vin et Vout dans votre rapport. Notez l’amplitude crête des signaux
d’entrée(Vin)etdesortie(Vout)etcalculezlegainducircuitgrâceàVout/Vin.
1.3. Augmentez graduellement la fréquence du signal sinusoïdal afin de mesurer la fréquence de
coupuredusuiveurdetension.Rappel:lafréquencedecoupureestlafréquencepourlaquelle
l’amplitudedusignalestatténuéede3dB.Notezcettefréquence.
1.4. Appliquezunsignalrectangulaired’uneamplitudecrêtede0.5Vetd’unefréquencede50kHz
au circuit et observez la sortie à l’oscilloscope. Sur une même capture d’oscilloscope,
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
rapportezlaformed’ondedeVin etVoutdansvotrerapport.Notezlavaleurduslewrate
dececircuit.
2. Montagedel’inverseur
2.1. MontezlecircuitdelaFigure2survotrebreadboard.Commelecircuitprécédant,utilisezdes
alimentationsde+5Vet-5V.
2.2. Appliquezunsignalsinusoïdald’uneamplitudede100mVàl’entréeducircuitetobservezla
sortieàl’oscilloscope.Commepourlesuiveur,mesurezlegain,lafréquencedecoupureetla
fréquencedegainunitairedececircuit.Comparezlesvaleursmesuréesaveclesvaleurs
simuléesetcalculées.
2.3. Mesurezlatensiondedécalagedececircuitetproposezunesolutionpourdiminuerson
impact.
3. Montageducircuitadditionneur
3.1. MontezlecircuitdelaFigure3survotrebreadboard.Utilisezdestensionsd’alimentationde+5V
et-5V.Branchezlesdeuxentréesducircuitàdessourcesdetensionsdifférentes.Prenezbien
soind’inscriredansvotrerapportl’amplitudeetlafréquencedecesdeuxsignaux.Réalisez
ladeuxièmesourcedetensionàl’aided’undiviseurdetensionconnectéà+5V.Miseengarde:
utilisez un circuit vue en classe pour éviter que le diviseur de tension ne soit vu comme une
résistancedesourcetropimportanteparlecircuitadditionneur.
3.2. Observezlesignaldesortieàl’oscilloscopeet tracezlaformed’ondeobservéedansvotre
rapport.Décrivezlatensiondesortieducircuitetexpliquezcequisepasse.
4. Montageducircuitnon-inverseur
4.1. MontezlecircuitdelaFigure4survotrebreadboard.Utilisezdestensionsd’alimentationde+5V
et -5V. Appliquez un signal sinusoïdal d’une amplitude de 100 mV à l’entrée du circuit et
observezlasortieàl’oscilloscope.Rapportezlacaptured’oscilloscopedansvotrerapport.
4.2. Mesurezlegain,lafréquencedecoupure etlafréquencedegainunitairedececircuit.
Comparezlesvaleursmesuréesaveclesvaleurssimuléesetcalculées.
4.3. Ensuite, augmentez l’amplitude crête de la tension d’entrée jusqu’à 0.5V crête et observez la
sortie du circuit à l’oscilloscope. Rapportez la capture d’oscilloscope dans votre rapport.
Queconstatez-vous?
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
QuestionsPost-laboratoire
Répondezauxquestionssuivantes:
1. Pour chacun des 4 montage vu dans ce laboratoire, nommez une imperfection des ampli-op
rencontréeetexpliquezsoneffetnégatifdanscemontage.
2. Proposezunmontageenboucleferméepouramplifierunsignaldélivréparunesourcedontla
résistancedesourceestdeRs=10kΩ?Consigne:visezungainde10etn’utilisezpasde
valeurderésistancesupérieureà500Ωpourvotremontage.
3. Quellesontlestensionsdedécalagespécifiéesdanslesfichestechniquespourlestroisamplisoputilisésdanscetravailpratique?Proposezunmontageenboucleferméedontlafonctionest
d’annulerlatensiondedécalageetexpliquezbrièvementleprincipe.
4. Expliquezenquoiconsisteunamplificateurdontl’alimentationVDDestunipolaire.Proposez
un amplificateur dont l’alimentation est unipolaire s’interfaçant avec une source de tension
dontlavaleurmoyennesesitueàVDD/2.L’amplificateurpossèdeungainde10V/V.
5. Vousutilisezl’ampli-opLM358pourréaliserunmontageinverseurdontR1=5ΩetR2=50Ω.
Àl’aidedelaspécificationtechniqueduLM358,trouvezlachargerésistiveRLminimumque
peut accommoder cet amplificateur en boucle fermée pour une source idéale à tension
sinusoïdaled’entréede0.1Vcrête.Note:consultezlaNote2delaspécificationtechnique
pourconnaîtreiomaximum.
6. Calculerl’erreurrelativemaximumsurlegainenboucleferméed’unamplificateurinverseur
etd’unamplificateurnon-inverseurdontlesvaleursR1=2kΩetR2=10kΩ,ensachantquela
tolérancesurcesrésistancesestde±5%desvaleursnominales.Deplus,considérezl’effetdu
gainenboucleouvertefini(Ao=1000V/V)dansvoscalculs.
Rapport
Dansvotrerapport,répondezauxquestionsposéesdefaçonsuccincte.Iln’estpasnécessaire
de rédiger une introduction et une conclusion. Les courbes et valeurs demandées (les
informationsengrasdansleprotocole)devrontêtreprésentéesenspécifiantlesnumérosde
questioncorrespondants.Deplus,placezladernièrepagedeceténoncécomme1èrepagede
votrerapportetremplissez-là.
VotrerapportdoitêtreremisenformattexteimprimédanslaboîteidentifiéeGEL-3000située
prèsduPLT-3109avantladatelimite.Deplus,téléversez-enégalementunecopieélectronique
surPixel(https://pixel.fsg.ulaval.ca/)avantladatelimite.
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Laboratoire1
Lesamplificateursopérationnels:
Montagesdebase
1.
2.
Nom
Matricule
Signaturedel’assistant:
Date: