Générateur de signaux à Amplificateurs Opérationnels

Benoît Decoux 1
Projet d'électronique P1 n°1 :
Générateur de signaux à
Amplificateurs Opérationnels
Janvier 2001
Formalités de déroulement
• Durée : 3 séances (dont une de validation finale de la maquette)
• Rapport à remettre à l’issue (voir informations utiles pour la rédaction du rapport en
annexe du guide de TP)
• Les 2 premières séances donneront lieu à des validations partielles (validation de
certains modules)
• Le petit matériel nécessaire au travail sur le projet en dehors des séances encadrées
sera prêté jusqu’à la fin de l’année (voir la liste dans le guide). Ce matériel comportera
entre autres une plaquette à contacts neuve et une ayant déjà servi. Pour diminuer le
risque de faux contacts avec les neuves, il vous est demandé de ne pas enfoncer la
pointe de la sonde dans ces contacts : un embout sera distribué avec chaque sonde,
permettant d’utiliser des petits fils dénudés pour les contacts.
• Les barèmes de notation seront fixés à l’avance (le nombre de points affecté à chaque
question sera indiqué)
Quantité de travail nécessaire à l’aboutissement des projets
Les projets comportent :
• une partie de travail encadré, correspondant aux séances qui se déroulent en
présence des enseignants
• une partie de travail non-encadré, autonome, le labo rouge (et les labos C11-C12
sur demande) étant en libre accès en permanence
Les proportions de la quantité de travail prévue sont : 3/4 pour la partie encadrée et 1/4
pour la partie non-encadrée, ce qui représente pour cette dernière l’équivalent d’une séance de
4 heures pour un projet de 3 séances.
La quantité de travail que comportent les projets correspondent à cette répartition.
Objectif de ce 1er projet
Un des objectif de ce projet est de générer des signaux périodiques de différentes formes
(carré, rectangulaire avec rapport cyclique variable, triangulaire, en dents de scie), à l'aide
d'Amplificateurs Opérationnels (AO). L'AO est également utilisé pour le filtrage (passe-bas)
de ces signaux, ainsi que comme tampon (montage suiveur).
Un autre objectif est la compréhension du lien existant entre l'aspect temporel des
signaux (forme à l'oscilloscope), leur aspect fréquentiel (contenu en harmoniques) et leur
perception auditive (écoute des sons produits avec un haut-parleur).

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Informations pratiques
Tensions d’alimentation
Les AO seront alimentés en ±Vcc avec Vcc=5V.
Composants nécessaires
• AO TL081, TL082 ou TL084
• transistors 2N2222
• Haut-parleur
• résistances et condensateurs en valeurs normalisées
Documentations techniques
Les fiches techniques des composants utilisés sont disponibles sur la page web-élec.
1ère séance (/3)
Travail à effectuer
Ce travail comporte :
• Un compte-rendu à remettre à l’issue de la séance (sur 15 points)
• Une validation des modules suivants :
1) Montage suiveur (1 point)
2) Montage amplificateur (2 points)
3) Oscillateur carré-triangle (2 points)
Remarque importante
L’annexe comporte de nombreuses informations utiles facilitant la réponse aux questions.
Montages de base à AO
AO seul
Q1 (pratique). Connecter l’entrée + de l’AO à la masse. Appliquer sur l’entrée – une tension
continue ajustable obtenue à l’aide de la commande offset du générateur de fonction (et en
annulant la tension alternative). Décrire ce qu’il se passe quand on fait varier cette tension
continue autour de 0V, en visualisant simultanément cette tension à l’oscilloscope et la
tension de sortie de l’AO. (1 point)

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Q2 (p). Même chose mais en intervertissant les entrées + et –. Conclure de ces 2 questions sur
l’influence des 2 entrées de l’AO sur sa sortie, et sur la stabilité de l’AO en boucle ouverte. (1
point)
Q3 (p). Indiquer les valeurs (mesurées) de saturation positive et négative de l’AO (en
justifiant la réponse). (0,5 point)
Montage suiveur
Q4 (p). Réaliser un montage suiveur. Lui appliquer en entrée un signal alternatif d’amplitude
environ 1V et de fréquence environ 1kHz. Visualiser (et décrire) la tension d’entrée et la
tension de sortie à l’oscilloscope et en déduire l’expression de l’amplification en tension du
montage. (1 point)
Q5 (p). Augmenter la fréquence du signal d’entrée progressivement jusqu’aux limites du
générateur, et décrire la forme observée de la tension de sortie pour les fréquences supérieures
à 1 MHz. A partir de la valeur du produit gain-bande indiquée sur la fiche technique de l’AO
(Typ. Signifie typical, valeur moyenne), donner la valeur théorique de la fréquence limite de
fonctionnement. (1 point)
Montage amplificateur-inverseur
Q6 (p). Réaliser un montage amplificateur inverseur à AO dont le rapport d’amplification est
100 (avec R1=1kΩ par rapport au schéma de l’annexe). Le tester avec un signal sinusoïdal en
entrée, d’amplitude 100mV et de fréquence 1kHz. Que se passe-t-il quand on augmente
l’amplitude de la tension d’entrée ? Donner les 2 valeurs de saturation de la tension de sortie.
(0,5 point)
Q7 (p). Quand on augmente la fréquence de la tension d’entrée, à partir de quelles fréquences
l’amplitude de sortie :
- commence-t-elle à diminuer ?
- a-t-elle diminuer de 30% (ce qui correspond à une chute de 3dB) ?
Comparer avec le produit gain-bande indiqué sur la fiche technique. (1 point)
Q8 (p). Par une petite expérience que vous décrirez, à l’aide du même montage que la celui de
la question précédente (et de la commande offset du générateur de fonctions), montrer qu’avec
les AO on peut réaliser un amplificateur continu. Retrouver la valeur d’amplification de la
question précédente. (1 point)
Etude d’un montage intégrateur
Q9 (p). Câbler le montage intégrateur de base utilisant un AO, une résistance R et un
condensateur C (on prendra R=10kΩ et C=220nF). Appliquer en entrée de ce montage un

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signal carré compris entre –4V et +4V, de fréquence égale à quelques kHz. Relever les
signaux d’entrée et de sortie en précisant bien les paramètres des signaux. (2 points)
Q10 (p). Rajouter une résistance environ 50 fois supérieure à R en parallèle avec le
condensateur. Recommencer le test de la question précédente avec le même signal carré, un
signal rectangulaire puis un signal sinusoïdal. En décrivant la forme des différents signaux de
sortie observés, montrer que ce montage est un intégrateur. Préciser l’intérêt de la résistance
rajoutée. (1 point)
Etude d’un comparateur à hystérésis
Q11 (p). Réaliser un comparateur à hystérésis (voir annexe). Réaliser ce circuit avec R1=10kΩ
et R2=24kΩ, puis lui appliquer en entrée un signal triangulaire variant de –4V à +4V, issu du
générateur de fonctions. Relever la tension d’entrée et la tension de sortie sur un même repère
temporel. Commenter ces chronogrammes. Préciser les valeurs de Vsat+ et Vsat-. (1,5 points)
Q12 (théorique). Calculer les 2 seuils de basculement du comparateur à hystérésis en utilisant
les valeurs expérimentales de Vsat+ et Vsat-. Comparer avec les résultats obtenus à la question
précédente. (1 point)
Etude du fonctionnement global d’un intégrateur et d’un comparateur bouclés
Q13 (th). A partir du résultat des questions précédentes, montrer que l’association d’un
comparateur à hystérésis et d’un intégrateur comme sur la figure ci-dessous permet d’obtenir
un oscillateur fournissant simultanément (sur 2 sorties différentes) un signal carré et un signal
triangulaire. Décrire le fonctionnement global de l'ensemble de ces deux montages. (1,5 point)
Q14 (p). Réaliser ce bouclage en pratique et relever les 2 signaux de sortie, en précisant bien
leurs paramètres (périodes et amplitudes maximales). (1 point)
Remarques importantes :
1) Ce montage est un oscillateur, ce qui signifie qu’il est autonome et donc ne nécessite plus le générateur de
fonctions.
2) Il est rappelé que pour visualiser la phase correcte entre 2 signaux il faut utiliser 2 sondes (donc emprunter
une sonde "labo").
Montage intégrateur et montage comparateur à
hystérésis (Trigger de Schmitt) bouclés :
la sortie de chacun des deux modules est
appliquée à l'entrée de l'autre.

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ANNEXE
Utilisation de l'Amplificateur Opérationnel
Introduction
Dans le régime de fonctionnement linéaire, selon les composants du montage et le
schéma de connexion, l'AO peut réaliser des opérations mathématiques (sommation,
soustraction, dérivation, intégration). De là vient sa dénomination.
L'AO est un amplificateur différentiel, c'est à dire qu'il possède deux entrées et, qu'en
mode de fonctionnement linéaire, il amplifie la différence de potentiel existant entre ces deux
entrées.
Relation entrées/sortie
Un AO possède deux bornes d'entrées + et –, et une borne de sortie S (figure 1.a). L'entrée
– est l'entrée inverseuse, car pour une tension d'un signe donné (positive ou négative)
appliquée sur cette entrée, la tension de sortie possède le signe opposé. L'entrée + est l'entrée
non-inverseuse (entrée et sortie de même signe).
(a) (b)
Figure 1. Symboles de l'Amplificateur Opérationnel.
(a) Norme française. (b) Norme anglo-saxone (la plus répandue).
La tension de sortie de l'AO ne peut pas dépasser des valeurs, légèrement inférieures en
valeur absolue, aux tensions d'alimentation –VCC et +VCC. Ces tensions sont appelées tensions
de saturation : +Vsat et -Vsat. (Par exemple, pour certains modèles, si l'AO est alimenté avec
±VCC=12V, Vsat pourra être égal à ±11V).
La sortie de l'AO est définie par:
vs=Ad(v+-v-)=Advd
vd est la tension différentielle d'entrée. Ad est l'amplification différentielle (figure 2). Elle
est en général très grande, de l'ordre de 105 à 107.