Amplificateur Opérationnel (A.O.)

Travaux
Pratiques
- Cours
- Electrocinétique
Amplificateur
Opérationnel
(A.O.)
(Jn amplificateut opérationnel (ausi dénommâ
anpli op, AO, AOP...) esl
un amplifcateur
dffirentiel : c'est an amplzfcareur
diectronique
qui
anp/tfe ttne
ffirence de
potenùel électrique
prétenle à ses entrdet.
I/ a été tnitiahnenl îatxca plur ffictzter tfus
opérutianr mathématiquet
rlarc let
calrulaleurs
analogiques
: i/ pemettaiT de modéliser
/es opdraTiorc
malhémaliques de base
comme
/'addition, la soattraction,
/'intégration, /a dériuation et
d'auhes. Par /a suite, /'amp/zfcatear
opdrarionne/
est zttilisi dam bien d'aatret app/iraliow comme la commande
de moteur.r,
la rdga/ation
de tention, /es
sottrces de cziltants zxt enczre /et asci//ateurs.
I. L'amplificateur opérationnel et ses régimes de fonctionnement
L'ampliftcateut opétationnel est un composant électronique
actif polarisé
alimenté par deux teosions
de polarisaûons
*V.. et -Vcc (en gênêtal+15 V / -15 \D
1) Représentation symbolique
Sur les
schémas normalisés
aDoaraissent
:
'/ L'entrée inverseuse
ç-i associée
au potentiel V-
{ L'entrée non inverseuse
(+), associée
au potentiel V
'/ La sorde, associée
au porentiel V.
On aopelle tension différentielle d'entrée :
où V+ et V- sont les
potentiels respectifs
des en trrt] trées
non invetseuseet lfrvefseuse.
2) Régimes de fonctionnement
Il existe deux rég'imes
de 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 dépasser
V,o1
ou -V'.n1.
'/ Lotsque la tension de sortie atteint l'une de ces Limites on est en
t=;----------=;---
LJans ce cas, on a lU, = =V.ud
sal*ié liçÉitjre sxlLlr*
régime saturé. En génétal on suppose V'.n,=V,u,
Le tégime de fonctionnement de 1'AO est lié aux branchements réalisés
ente l'entrée er la sortie de I'AO.
3) Modèle idéal de 1'AO
I-^t notion d'amplifcateur opérationrcl parfait ou iddal perrzet de raisonner
nr le
fonctionnement
théoique de lAO en s'afranchusant des
phdnomènet
parasites
er des limitatiorc inhérenb à /a réalitd tec/tna/ogique
dcs composanrs. L.et progrù réaliÉs d.epuit /es premiers
AO tendenT, par /'amdlioration
czn:tanle des performanæs,
à se rapprocher
da modèle de /'AO parfait.
Regne /inéaire.' s = 0 (c'està direV+= V-) et -V.., ( U" ( V"",.
Regirzetaîuré: Sie> 0 (c'estàdireV+>V-), alorsUs = *Vsat
Si e < 0 (c'estàdireV+<V-), alors
Us = -Vsat
Modèle idéal : Le gain différentiel p est infini. Les courants i+ et i- sont nuls.

4) Càblage de l'AO
Un ampJificateur
opérationnel se
présente
comme un boîtier à 8 broches.
Seules
I'aLimentarion
positn'e
r+\'cc). I'ahmentation
négadle
(-\'cc). l'enLrée
inr-erseuse
5 d'enLre el,les
nous
rnréressent
:
Ê).
l'entree
non inlerseuse
(*; et Ia
soïûe.
Remarque : dt/ct/ne
borne
ne corretpond
à ane tndî[e
éuentuel/e.
Identihcation des
broches d'un AO TL081 ou 741 :
{ 1,
5, B : non connectées
,/ 2 : entrée inverseuse
(-)
{ 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
dtalimentation entraîne sa destruction immédiate.
'/ Connectet
3 tils de corrlerrrs ftrlerr nni. "n"-o)
plaque LÀ8.
au préalable et toute erreur de btanchement des tensions
Pout cela :
aux bornes
-15 V, 0, 15 V du bandeau
électrique
et les reliet à la
'/ 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
générateurs
puis l'alimenrarion des AOs.
5) Canctéristiques comparées
L'amplificateut opétationnel est
un circuit intègre qui réalise
une amplification de tension par f intermédiaire
d'une
alimentation externe.
Sa modél-isauon
/a
plut rinple est:
e:V- *V-
r/.
À
v-l
a-7-7
On utiliseta
un ampli op 7 41'
qui a des performances
assez modestes,
ce qui permet de le drfférencier
de I'ampJi
op.
patfait. On dispose
également
de I'ampli op. TL 081 plus performant. Le tableau
suivant compare les caractéristiques
essentielles
des amplis op. 7 41 et TL 081 à celles
de I'ampli op. parfait ou idéal.
ll0tilnoË TL OB1
j G,ain
en -boucle
o:.iverte
: Résistance
di{1érentielle
c1'entrée
I Produitgaur.x banclepallante .
1
Vitesse
limite de balai'3ge iSle-w
rate)
i
i Terrsion
de décalage
d'entrée (ûffset)
.^
Courant
de
polarisatjon
d'entrée
j (input
bia; current)
'pailarr- t4I
--1-*-- - -- **------ -.
f---"--- ----- -
rl
i ,:c j z. to5
l--i-
:i
i?,1it8
f)
j) 1ôr
r nIZ r'l
1 Ir{Hz ll
N{Hz
:
0.5 Vlpi
s : i3 Vlir s
<6mV , <15mV
Ër:i
I ûûnA
environ l ilt nÂ
envircn
lbnsion d' alimentation l"r,* rl'r"- i +f g V max *18 V ma.x

Circuits à smplificaTeur
opérationnel
0 But du TP.
Etude
des
circuits de base
utilisant
un A.O.
Connaître
les défauts
de l'A"O
réel
par
rapport
à l'A,O idéal.
{ Description-
L'A.O. se
présente
sous
la forme d'un boîtier enfichable à I broches.
Chaque broche émet ou regoit un signal particulier ( tension
d'alimentation +Vcc et - Vcc, signaux d'entrée V- et V-, sortie du
montage
Vs etc,..).
Le brochage dépend
du modèle d'A.O utilisé (le 741 CN le plus
souvent
pour nous),
D Bien qu'indispensable,
I'alimentation d'un A.O. n'est
jamais
représentée
sur les schémas
de cablage
Pensez
toujours à connecter les fils d'alimentation
de l'A.O
en premier.
I- À4ontsqe
smplificsteur inverseur-
f ,-a
11.--.--.j-l
''T.1
'1'Tl'
A.ç 741 CN
a) Montage.
R': 80
kA :R:20 kç)
b) Etude théorique-
rr- R
Monherquet'--R ,
c) Etude expérimentale.
Alimenter par un signal de fréquence et d'amplitude
raisonnable : f - 500 FIz et Ue-2V.
tr Représenter les
tension Ue et Us.
n Vérifier le comportement du montage.
TT. A-Q idêsl et rêel.
Nous allons notn set
vir du morztage
précédent
pow' illustrer les défouts
principaux 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 cwmulez
les défauts, la compréhension des
phénomènes
devient 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' Expérience-
Court-circuiter l'enfrée du montage .',,4,À/^t
COURT-CIRCWTER LE GBF: il ne faut donc surtout pas rajouter un
fil entre le GBF et la masse. rnais D'A3ORD débrancher
le GBF PIIS conneçter
la résistance
R à la masse-
B Mesurer cette
tension de décalage,
Remarque : On pourrait la compenser à I'aide des entrées
d'offset sur l'A.O'
+Tcc 5 c'lli'tt
À
rt
t IJsr
lrl I
Â
,IT
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Lycée
Gustave
Eiffel PTSI A.O. Circuits de base
- Page 1

b) $aturation en tension,
.l Principe.
La tension en sortie d'un A.0 est limitée
dans
les
valeurs
positives
comme négatives
I V*,-
( Vs < V*,-.
* Expérience.
Choisir
un signal sinusoidal de fréquence convenable
et noter
l'écrêlage de la tension
de sortie
quand le niveau
d'entrée
devient trop
grand.
n Àtlesurer alors
les valeurs
de saturatio"
Vrit et V*,.
c) Limitation en courant.
'l Principe.
Le courant
en sortie d'un A.O est
limitée
dans les valeurs
positives comme négatives
I I*r- ( Is < Io'-.
Ce phénomène est 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 masse
une résistance
variable R* (boite AOIP * 100 et * 10)-
n Faire varier R". Que constate-t-on
quand R* devient trop faibie ?
DorLner
un ordre de grandeur de 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
>r
ces
variations 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
"vitesse
de
balayage".
+ Expérience
n Recâbler le montage inverseur-
Prendre
pour Ve une tension sréneau f- 500 Hz-
tr Observer
la réponse de I'amplificateur inverseur et mesurer
o (en volt par microseconde).
n Que se passe-t-il quand on augmente la fréquence ? InterpÉter-
Prendre
maintenant
pour Ve rtne
tensioa sinusoîdale f - 500 I{z-
tr Que se
passe-t-il quand on augmente la fréquence ? Interpréter.
tr Comment
travailler à haute ûéquence en évitant les problèmes de slew rate ?
e) Réponse fréquentielle
+ Principe.
On peut modéliser simplement un A.0 par un filtre passe bas du 1" ordre. L'emploi de hautes
&équences
diminue
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 nécessite
d'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 ne
faut 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 bande
passnnte du montage-
Lycée Gustave
Eiffel PTSI A.O. Circuits de base - Page 2