Amplificateur Opérationnel (A.O.)

TravauxPratiques- Cours - Electrocinétique
AmplificateurOpérationnel(A.O.)
(Jn amplificateut opérationnel (ausi dénommâ
anpli op,AO, AOP...) eslun amplifcateurdffirentiel : c'estan amplzfcareurdiectronique
qui
anp/tfe ttne ffirence depotenùel électriqueprétenle à sesentrdet.I/ a ététnitiahnenl îatxcaplur
ffictzter tfusopérutianrmathématiquetrlarc let
calrulaleursanalogiques: i/ pemettaiT demodéliser/esopdraTiorcmalhémaliquesde basecomme/'addition, la soattraction,/'intégration, /a dériuationet
d'auhes. Par /a suite, /'amp/zfcatearopdrarionne/estzttilisi dam bien d'aatret app/iraliow commela commandede moteur.r,la rdga/ationde tention, /es
sottrcesde cziltants zxtenczre/et asci//ateurs.
I. L'amplificateur opérationnel et ses régimes de fonctionnement
L'ampliftcateut opétationnel est un composant électroniqueactif polarisé alimenté par deux teosions de polarisaûons
*V.. et -Vcc(en gênêtal+15 V / -15 \D
1) Représentation symbolique
Sur les schémasnormalisés aDoaraissent:
'/ L'entrée inverseuseç-i associéeau potentiel V{ L'entrée non inverseuse (+), associéeau potentiel V
'/ La sorde,associéeau porentielV.
On aopelletension différentielle d'entrée :
trrt]
où V+ et V- sont les potentiels respectifs des entrées non invetseuseet lfrvefseuse.
2) Régimes de fonctionnement
Il existe deux rég'imesde fonctionnement :
{
Le tégime linéaire : La tension de sortie U, (drffétence de potentiel
entre la bome de sottie et la masse)est proportionnelle à la tension
drffétentielle d'entrée. Le coefficient de proportionnalité est appelé g3ln
(Us en fonction de e est une droite de pente p)
La tension de sortie ne peut pas dépasserV,o1ou -V'.n1.
sal*ié
'/
liçÉitjre
sxlLlr*
Lotsque la tension de sortie atteint l'une de ces Limiteson est en régime saturé. En génétal on suppose V'.n,=V,u,
t=;----------=;--L J a n s c e c a s , o n a lU, = = V.u d
Le tégime de fonctionnement de 1'AO est lié aux branchements réalisésente l'entrée er la sortie de I'AO.
3) Modèle idéal de 1'AO
I-^t notion d'amplifcateur opérationrclparfait ou iddalperrzet de raisonnernr lefonctionnementthéoique de lAO en s'afranchusant desphdnomènet
parasiteser deslimitatiorc inhérenb à /a réalitd tec/tna/ogique
dcscomposanrs.
L.et progrù réaliÉs d.epuit/espremiersAO tendenT,
par /'amdlioration
czn:tanledesperformanæs,à se rapprocherda modèlede /'AO parfait.
Modèle idéal :
Le gain différentiel p est infini. Les courants i+ et i- sont nuls.
Regne /inéaire.' s = 0 (c'està direV+=
V-) et -V.., ( U" ( V"",.
Reg i rz e ta îu ré : Si e > 0 (c ' e s tà di reV + > V -),
S i e < 0 (c ' e s tà di reV + < V -),
al orsU s = * V sat
al ors U s = -V sat
4) Càblage de l'AO
Un ampJificateuropérationnel se présente comme un boîtier à 8 broches. Seules5 d' enLreel ,l esnous rnréressent
:
I'aLimentarion
positn'e r+\'cc). I'ahmentationnégadle (-\'cc). l'enLréeinr-erseuseÊ ). l ' entreenon i nl erseuse(*; et I a
soïûe.
Remarque: dt/ct/nebornene corretpond
à anetndî[e éuentuel/e.
Identihcation des broches d'un AO TL081 ou 741 :
{
1, 5, B : non connectées
,/ 2 : entréeinverseuse (-)
{
3 : entrée non inverseuse (*)
'/ 4: alimentatjon négative (-Vcc)
./ 6 : sortie
{
7 : alimentation posit-ir.e(+Vcc)
L'amplificateur ne fonctionne que s,il est alimenté au préalable et toute erreur de btanchement des tensions
dtalimentation entraîne sa destruction immédiate. Pout cela :
'/ Connectet3 tils de corrlerrrsftrlerr nni. "n"-o) aux bornes -15 V, 0, 15 V du bandeau électrique et les reliet à la
plaque LÀ8.
'/ Placer l'amplificateur opérârioûnel sur la plaque LAB.
'/ Alimenter les bornes *Vcc et -Vcc de l'amplificateur opérationnel.
'/ Câblet le montage. Attention, ne jamais alimenter l'AO avant d'avoilréalisé le montage complet. Lors de
modifications dans le circuit, éteindre les générateurspuis l'alimenrarion des AOs.
5) Canctéristiques comparées
L'amplificateut opétationnel est un circuit intègre qui réaliseune amplification de tension par f intermédiaire d'une
alimentation externe.Sa modél-isauon/aplut rinple est:
e:V-
*V -
r/.
À
v-l
a-7-7
On utiliseta un ampli op 7 41'qui a des performances assezmodestes,ce qui permet de le drfférencier de I'ampJi op.
patfait. On dispose égalementde I'ampli op. TL 081 plus performant. Le tableau suivant compare les caractéristiques
essentiellesdes amplis op. 741 et TL 081 à cellesde I'ampli op. parfait ou idéal.
ll0tilnoË
j G,ainen
o:.iverte
-boucle
Ër:i
' pai l arr--1-*-- - -- **------
rl
i
,:c
-. f---"---
j
TL OB1
t4I
-----
j)
z.to5
1ôr
l--i-
:i
i
: Résistancedi{1érentielle c1'entrée
I
1
Produitgaur.x banclepallante
.
?,1it8f)
r nIZ r'l
1 Ir{Hz
ll N{Hz
:
0.5 Vlpi s :
Vitesse limite de balai'3ge iSle-wrate)
i3 Vlir s
i
i Terrsionde décalaged'entrée (ûffset)
<6mV
.^
Courantde polarisatjon
d'entrée
j (inputbia; current)
I ûûnA
environ
lbnsion d' alimentation
l"r,* rl'r"-
, <15mV
l ilt
nÂ
envircn
i +f g V max *18 V ma.x
Circuits à smplificaTeuropérationnel
0 But du TP.
un A.O.
Etudedescircuitsde baseutilisant
par
rapportà l'A,Oidéal.
Connaîtrelesdéfautsde l'A"Oréel
{
+Tcc
Description-
L'A.O. se présentesousla forme d'un boîtier enfichableà I broches.
Chaque broche émet ou regoit un signal particulier ( tension
d'alimentation +Vcc et - Vcc, signaux d'entrée V- et V-, sortie du
montageVs etc,..).
Le brochage dépend du modèle d'A.O utilisé (le 741 CN le plus
souventpour nous),
D
f
1 1 .- - .- - .j - l
5
c'lli'tt
,- a
'1'Tl'
''T.1
A.ç 741 CN
Bien qu'indispensable,I'alimentation d'un A.O. n'estjamais représentéesur les schémasde cablage
Pensez toujours à connecter les fils d'alimentationde l'A.O en premier.
I- À4ontsqe smplificsteur
a) Montage.
R': 80 kA :
inverseur-
R:20 kç)
b) Etude théoriquerrMo n h er quet ' - - R
R
À
rt
,
c) Etude expérimentale.
Alimenter par un signal de fréquence et d'amplitude
raisonnable : f - 500 FIz et Ue-2V.
tr Représenterles tension Ue et Us.
n Vérifier le comportement du montage.
t
lrl
IJ s r
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Â
,IT
I
TT. A-Q idêsl et rêel.
Nous allons notn set vir du morztageprécédent pow' illustrer les défoutsprincipaux de I'A.O réel
Dans I'érude des défouts de I'AO,-illaut toujoirs repartir d'un signal "pîopre" pour éludier séparémen|chaque défaut.
Si vous cwmulezles défauts, la compréhension des phénomènesdevient conzpliquée.".
a) Décalage de zéro,
* Principe.
Il s'agit de mesurer la tension de sortie quand la tension d'entrée est nulle. Cette tension de sortie continue, très
faitrle, est alors appelée "tension de décalage".
.l' ExpérienceCOURT-CIRCWTER LE GBF: il ne faut donc surtout pas rajouter un
Court-circuiter l'enfrée du montage .',,4,À/^t
fil entre le GBF et la masse.rnais D'A3ORD débrancherle GBF PIIS conneçterla résistanceR à la masseB Mesurer cette tension de décalage,
Remarque : On pourrait la compenser à I'aide des entréesd'offset sur l'A.O'
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A.O. Circuits de base - Page 1
b) $aturation en tension,
.l Principe.
I V*,- ( Vs < V*,-.
La tensionen sortied'un A.0 estlimitéedanslesvaleurspositivescommenégatives
* Expérience.
de la tensionde sortiequandle niveau
Choisir un signalsinusoidalde fréquenceconvenableet noterl'écrêlage
grand.
d'entréedevienttrop
n
Àtlesurer
alorsles valeursde saturatio"Vrit et V*,.
c) Limitation en courant.
'l Principe.
Le courant en sortie d'un A.O est limitée dans les valeurs positivescommenégativesI I*r- ( Is < Io'-.
Ce phénomèneest dû à un dispositif interne de protection de l'amplificateur opérationnel.
.l Expérience.
Ce défaut sera illustré à partir du montage suiveur.
D
Càbler le montage suiveur (voir IV ) ,
*
Brancher entre la sortie de I'AO et la masseune résistancevariable R* (boite AOIP * 100 et 10)n
Faire varier R". Que constate-t-onquand R* devient trop faibie ?
DorLnerun ordre de grandeurde I*,* et l-1-.
d) Vitesse de balayage {< slew rate >)
+ Principe"
La tension de sortie varie lorsque la tension d'entrée varie ; cependant,si les variations de la tension d'entrée
deviennent trop rapides, le montage à À-O- ne parvient plus à répercuter( instantarément >rcesvariations sur la
tension de sortie.
La valeur ma:iimale de la vitesse de variation de 1a tension de sortie est noté€ o : I dU" / dt l* s'appelle la
"vitessede balayage".
+ Expérience
n
Recâbler le montage inverseurPrendre pour Ve une tension sréneau f- 500 Hztr
Observer la réponse de I'amplificateur inverseur et mesurero (en volt par microseconde).
n
Que se passe-t-il quand on augmente la fréquence ? InterpÉterPrendre maintenantpour Ve rtne tensioa sinusoîdale f - 500 I{ztr Que se passe-t-il quand on augmente la fréquence ? Interpréter.
tr
Comment travailler à haute ûéquence en évitant les problèmesde slew rate ?
'
e) Réponse fréquentielle
+ Principe.
On peut modéliser simplement un A.0 par un filtre passebas du 1" ordre. L'emploi de hautes&équencesdiminue
le gain de l'A.O. et donc la tension de sortie du montage
On appelle fréquence de coupure à -3dB la &équence pour laquelle la tension de sortie du montage est diminuée
d'un facteur 4Z p* rapport à sa valeur maximale.
* Expérience.
MesurerVs à faible fréquence (-100 Hz), calculer Vs(100tIz)/{2. augmenter la fréquence jusqu'à obtenir cette
valeur. On est alors à la fréquence de coupure. Noter cette valeur fc.
AttenTion !!!
Cette déterntination nécessited'augmenter lafréquence du signal d'entrée ; on risque donc de voir se manifester le slew
rate, d'abord par la triangularisation du signal de sortie, puis par Ia diminution de I'amplitude de la tension de sortie.
II nefaut pas confondre cette diminution de I'amplitude de la tension de sortie, due.au slew rate, svec celle recherchée,
qui doit être due à la bandepassnnte du montage-
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