AOP en Comparateur

TPn°21:AOPenComparateur
Objectifs
Endehorsdel’amplification,lesamplificateursopérationnelssontsouventutiliséspourunautretyped’application:la
comparaisond’unetensiond’entréeàunetensionderéférence.Danscecas,lesAOPsontutiliséssansbouclederétroaction
négative,c’est‐à‐direqueleursortieVsn’estpasreliéeàleurentréeV‐.Legaindel’AOPn’estalorspluslimitéetladifférence
entresesentréesV+etV‐estamplifiéedelavaleurdesongainenboucleouverteAbo,c’est‐à‐dire250000àbassefréquence
pourunAOPdetypeLF351.
Prérequis,Documents
Coursd’électroniquedusemestre1surl'amplificateuropérationnel.
Travaildepréparation
1.Comparateursimpleavectensionderéférenceégaleàzéro(Théorie)
LaFigure1représenteuncomparateursimpleavectensionderéférenceégaleàzéro.
Figure1
1.1Exercicethéorique:
SoitVeunetensionsinusoïdaledefréquence10Hzetd’amplitude1V.L’AOPdelaFigure1aungainenboucleouverteAbode
250000à10Hz.L’AOPestalimentéen–Vcc/0/+Vcc.
Onalimentel’AOPen–1000000V/0/+1000000V(unesituationqui,convenonsen,n’estguèreréaliste!):
.CalculezVspourVe=1V,1mVpuis‐1mV.
.PourquellevaleurdeVea‐t‐onVs=+15V?
Onalimentemaintenantl’AOPen‐15V/0/+15V.
.DonnezlavaleurdeVspourVe=1V,1mVpuis‐1mV.
.Représentezsurvotrecompterendul’alluredestensionsVeetVsenfonctiondutemps.
.Quedit‐ondelatensionVsquandelleestmaximale(pratiquementégaleà+Vcc)?
ÉtudesàréaliserensalledeT.P.
2.Comparateursimpleavectensionderéférenceégaleàzéro(Pratique)
RéalisezlemontagedelaFigure1surlaplaquetted'essai.Alimentezl’AOPen‐15V/0/+15V.Appliquezunetensionsinusoïdale
d’entréedefréquence100Hzetd’amplitude1V.
2.1TracédeVs(t)
TracezlestensionsVeetVsenfonctiondutemps.VousremarquerezquelatensionmaximaledeVs(qu’onappelle+Vsat)n’estpas
exactementégaleà+Vcc.Enfait,ona+Vsat=+Vcc–Vdéchet+(latensiondedéchetestdueprincipalementàlatensionBase‐
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
t (s)
Ve (V)
‐
+
~V
e
V
s
V
réf

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Emetteurdutransistordesortieàl’intérieurdel’AOP).DéterminezlavaleurdeVdéchet+.Onademême:‐Vsat=‐Vcc+Vdéchet‐.
DéterminezlavaleurdeVdéchet‐.
3.Comparateursimpleavectensionderéférencedifférentedezéro
LaFigure2représenteuncomparateursimpleavectensionderéférencedifférentedezéro.Ici,latensionderéférenceestajustée
grâceàunpontdiviseurdetension.
Figure2
3.1Amplitudedebasculement
OnprendR1=1k
etR2=2,2k .Appliquezunetensionsinusoïdaled’entréedefréquence100Hzetd’amplitude1V.Puis
augmentezprogressivementl’amplitudedeVejusqu’àobserverunbasculementdelatensionVs.Aquelleamplitudeobserve‐t‐on
cebasculement?Expliquezpourquoi.
3.2TracédeVs(t)
Augmentezencorecetteamplituded’1V.TracezlestensionsVeetVsenfonctiondutemps.
4.Comportementducomparateursimpleaveclafréquence
4.1AmplitudeminimaledeVepourobtenirlasaturation
RefaiteslemontagedelaFigure1.Appliquezunetensionsinusoïdaled’entréedefréquencef=100Hzetd’amplitude1V.
Maintenant,diminuezcetteamplitudelepluspossible(10mVparexemple).Sivousobservezunsignalsaturéensortie,toutva
bien…Augmentezlafréquenceà10kHz.Observezvoustoujoursunsignalsaturéensortie?Sinon,augmentezl’amplitude
jusqu’àobserverlasaturationdelasortie.Notezlavaleurdecetteamplitudequ’onappelleraVe_sat_Exp.Faitesdemêmepour100
kHzet1MHz.
Lephénomènequevousvenezd’observerestdûengrandepartieauproduitgain‐bandedel’AOP.Acausedecela,legainen
boucleouverted’unAOPbaisseaveclafréquence(àhautefréquence,unautrephénomènevientserajouter,dûàlavitesse
limitéedevariationentensiondel’AOP,leslewrate).Enutilisantlesrelationssuivantes:
‐
+
~
V
réf
+15 V
V
s
V
e
R
1
R
2

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ThéosateThéobosat
bo
Théobo VfAV
ff
A
fA ___
2
0
_ ,
1
…etenprenantAbo=250000etf0=20Hz(pourunAOPdetypeLF351),remplissezletableauci‐dessous:
f(Hz
)
1
0
10
0
100
0
10 00
0
10000
0
100000
0
Abo_Théo(f)
V
e_sat_Théo(mV)
V
e_sat_Exp(mV)
x
x
x
Cettemanipulationmontrequelesperformancesducomparateursimplesedégradentàhautefréquenceetqu’ilfautleréserver
àdessignauxdebassefréquence.
5.TriggerdeSchmitt
Pouréviterladégradationdesperformancesducomparateursimpleàhautefréquence,ilexisteunesolution:utiliseruneboucle
derétroactionpositive.OnrelielasortieVsàl’entréeV+del’AOP.Grâceàcela,onobtientdesfrontsdecommutationplus
abruptsetdescaractéristiquesmoinsdépendantesdelafréquence.C’estleprincipedutriggerdeSchmittquiestreprésentésur
laFigure3.
Figure3
Voicicommentilfonctionne:
1.SupposonsqueVe=V‐=0etVs=+Vsat.Onaalors:V+=R1/(R1+R2).Vsat.OnappelletensiondeseuilV2,latensionV2=
R1/(R1+R2).Vsat.
2.OnaugmenteVejusqu’àcequ’ilsoitsupérieuràV2(Ve–V2>0).Onaalors:V+‐V‐<0.
3.L’AOPbasculeetVspasseà–Vsat.LanouvellevaleurdeV+devientV+=‐R1/(R1+R2).Vsat.OnappelletensiondeseuilV1,cette
tension.SionaugmenteencoreVe,riennesepasse.
4.Si,parcontre,ondiminueVejusqu’àcequ’ilsoitinférieuràV1(Ve–V1<0),onaalors:V+‐V‐>0.
5.L’AOPbasculeetVspasseà+Vsat.
Onobtientainsiuncycled’hystérésiscaractérisépardeuxtensionsdeseuilV1etV2.
R1 R
2
‐
+
~
V
e
V
s
34
215
Ve (V)
Vs (V)
V2V1
+Vsat
-Vsat

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5.1Tensionsdeseuil
FaiteslemontagedelaFigure3.VousprendrezR1=1k
etR2=10k .Appliquezunetensionsinusoïdaled’entréedefréquence
f=100Hzetd’amplitude1V.Augmentezl’amplitudejusqu’àobserverunbasculementdelatensionVs.Aquellestensions
observe‐t‐oncebasculement?Expliquezpourquoi.
5.2TracédeVs(t)
Augmentezencorel’amplitudedeVed’1V.TracezlestensionsVeetVsenfonctiondutemps.
5.3TracédeVs(Ve)
PassezenmodeXYettracezl’évolutiondelatensionVsenfonctiondeVe(c’est‐à‐dire,lecycled’hystérésis).
5.4Comportementaveclafréquence
Augmentezlafréquenceà10kHz,100kHzpuis1MHz.Qu’observez‐voussurlesfrontsdecommutation?Leparamètrequilimite
lavariationdelatensiondesortieestleslewrate.Mesurezsavaleurà100kHzetvérifiezqu'elleestprochedelavaleur
théorique(15V/µs)pourleLF351.