Dans les montages suivants à AO, il y a une rétroaction négative, l

TP COURS ELECTROCINETIQUE
R.Duperray
Lycée F.BUISSON
PTSI
AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL: MONTAGES SUIVEURS
Dans les montages suivants à AO, il y a une rétroaction négative, l’AO
fonctionne donc en régime linéaire.
1) L’amplificateur opérationnel, Brochage du TL 081
L'amplificateur opérationnel est un composant actif: il doit être polarisé par des tensions
symétriques ±Vcc (Valeur typique: Vcc = 15 V ) :
2: entrée inverseuse V !
3: entrée non inverseuse V +
4: !Vcc
6: sortie Vs
7: +Vcc
Le tableau suivant donne les caractéristiques d’un AO réel typique et celui d’un AO idéal.
Modèle idéal
Amplification différentielle µ
Résistance de sortie Rs
Résistance différentielle
d'entrée
+!
0
AO réel
(valeurs typiques)
200 V.mV -1
très petite
+!
2 MΩ
1
2) Montage suiveur
Le montage suiveur que nous allons étudier à pour intérêt de transformer un générateur
de tension réel en un générateur de tension idéal. Ce montage est un adaptateur
d’impédance : son impédance d’entrée est quasiment infinie et son impédance de sortie
est quasiment nulle
Le montage suiveur correspond au cas particulier du montage amplificateur non
inverseur dans le cas où R1 est infinie et R2 nulle (voir schémas ci-dessous).
Montage amplificateur non inverseur
Montage suiveur
2-1) Montage équivalent
Re est l’impédance d’entrée et RS l’impédance de sortie.
2-2) Mesure
Le GBF fournit une tension sinusoïdale de fréquence f ! 1 kHz et d’amplitude ! 1 V .
2
2-3) Impédance d’entrée
Visualiser constamment à l'oscilloscope les signaux d'entrée et de sortie, afin de vérifier
que le fonctionnement de l'amplificateur opérationnel est bien linéaire.
()
()
Dans le montage équivalent, exprimer v S t en fonction de e0 t sans R puis avec R
qui est une résistance réglable.
()
Il faut comparer les tensions de sortie v S t
avec R . Pourquoi ?
()
Visualiser les tensions v S t
()
et non les tensions v e+ t
sans R et
()
et e0 t . Montrer que :
• Le montage est suiveur.
• La résistance d’entrée est supérieure à 1MΩ.
2-4) Impédance de sortie
Désormais, le montage ne fonctionne plus en sortie ouverte mais en sortie fermée. La
sortie est connecté sur Ru appelée résistance de charge.
()
()
Dans le montage équivalent, exprimer v S t en fonction de e0 t sans Ru puis avec
()
()
Ru , résistance réglable. Lorsque v S t = e0 t /2 , que vaut Ru ?
En pratique, il faut bien prendre garde que la sortie ne soit pas saturée en courant.
Sinon, diminuer l’amplitude de l’entrée.
Donner une limite supérieure à RS .
3
3) Montages amplificateurs de tension
Réaliser successivement les deux montages amplificateurs de tension suivants:
Amplificateur non inverseur
R2
Amplificateur inverseur
R2
R1
R1
+
ve
+
+
R0
ve
vs
(
) (
+
R0
vs
)
Pour chaque mesure, prendre R1,R2 = 10 kΩ, 50 kΩ . On placera éventuellement une
résistance R0 = R1R2 R1 + R2 sur l'entrée non inverseuse pour limiter la valeur de i + qui
n’est pas absolument nulle (défaut de l’AO qui ne peut-être parfait).
Pour chacun des deux montages :
Calculer l'amplification en tension H ! Vms Vme .
On prend un signal d'entrée sinusoïdal, de fréquence 1 kHz. Interpréter le signal de
sortie.
Mesurer l'amplification en tension pour la fréquence à 1 kHz. Comparer à la théorie.
Constater que l’amplification n’a plus la valeur prévue au-delà d’une certaine
fréquence. Déterminer la fréquence de coupure à - 3 dB (On rappelle qu’il s’agit de la
(
)
fréquence, notée fc , pour laquelle G f = fc = Gmax
(
)
2 ou GdB f = fc = GdB max ! 3dB )
4
ANNEXE : COMPLEMENTS DE COURS
1) Montage suiveur
• Avec AO :
i+ = 0
()
(t ) = e (t ) .
et
final v s
()
v e+ t = e0 t .
Comme
!=0
alors
()
()
v e+ t = v e! t
et
()
()
v e! t = v s t .
Au
0
• Sans AO :
()
On a un pont diviseur : v s t =
Ru
Ru + R0
. La tension aux bornes de Ru dépend de R0 sauf si
R0 ! Ru .
Intérêt du montage suiveur :
Il transforme un générateur « réel » en générateur « idéal » ; c’est l’adaptation
d’impédances pour le transfert de tension.
2) Mesure
2.1) Impédance d’entrée
• Sans R ! v s = v e+ = e0
• Avec R ! v s = v e+ =
Re
Re + R
e0
Avec R = 1 M! , on a v s ! e0 donc Re ! R soit Re ! 1 M! .
Il faut comparer les tensions de sortie v s car si on compare v e+ (avec et sans R ), les
résultats sont faussés par le multimètre. Rmulti < Re , on mesure Rmulti .
2.2) Impédance de sortie
• Sans Ru ! v s = e0 car Rmulti > Rs
• Avec Ru ! v s =
Quand v s =
Ru
Ru + Rs
e0
1
e , on a Ru = Rs , on passe de Ru de 1 k! à 10 ! environ pour avoir
2 0
1
e , donc Ru = Rs = 10 ! .
2 0
Il faut que le courant de sortie ne soit pas trop important si non il y a saturation. Si c’est
le cas, il faut diminuer l’amplitude de e0 .
vs =
5
TP COURS ELECTROCINETIQUE
R.Duperray
Lycée F.BUISSON
PTSI
AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL: MONTAGE COMPARATEUR
Dans les montages suivants à AO, il n’y a pas de rétroaction négative
mais éventuellement une rétroaction positive, l’AO fonctionne donc en
régime saturé.
1) Comparateur simple
1-1) Montage
L’entrée ! est alimentée par un pont
diviseur de tension constitué d’une
boîte telle que R1 + R2 = 110 kΩ et
R2 = 50 kΩ . L’entrée + est alimentée
par un générateur.
Déterminer v ! .
1-2) Tension constante : v + = cste
Faire croître v + à partir de 0 jusqu’à 14 V puis diminuer à nouveau v + .
Noter les variations de v s .
( )
1-3) Tension sinusoïdale : v + = Vm cos !t
On utilise un GB, on travaille à basse fréquence, f ! 200 Hz .
Visualiser v + et v s en fonction de temps.
Faire varier Vm ou R2 et vérifier les valeurs remarquables de v + lors du basculement de v s .
( )
Visualiser v s = f v + en mode XY . Commenter.
Augmenter la fréquence et commenter.
2) Comparateur à hystérésis
Quelles sont les valeurs possibles de v + ?
Avec le GBF, prendre v ! triangulaire
d’amplitude 10 V environ et de fréquence
f ! 500 Hz .
Visualiser v ! et v s en fonction du temps.
Tracer les variations de v ! , v + et v s .
( )
Visualiser v s = f v !
et reproduire ces
variations. Commenter
6
ANNEXE : COMPLEMENTS DE COURS
1) Caractéristique d’un AO, rappels
Il existe deux types de régime de fonctionnement : le régime de saturation et le régime
linéaire.
•
Régime linéaire
(
)
vs = µ v + ! v ! = µ "
µ = amplification différentielle # 105
•
Régime de saturation
v s = ±v sat ! 14 V
On est en régime linéaire quand !"M < " < +"M , avec !M =
v sat
µ
" 10#4 V . On constate qu’en
régime linéaire ±! M sont très faibles. Dans le cas de l’AO idéal, on considère que
±!M " 0 V .
2) Comparateur simple
Il n’y a pas de bouclage sur l’entrée
négative (pas de rétroaction négative, cf
cours de SI), l’AO fonctionne en régime
de saturation : v s = ± v sat .
L’entrée négative est alimentée par un
pont diviseur de tension :
v! =
R2
R1 + R2
e=
5
e avec les valeurs de
11
résistances prisent dans le TP.
On considère que la tension à la borne positive est constante
5
e = "6,8 V donc v s = !v sat .
• Au départ, v + = 0 , ! = 0 "
11
7
• On augmente v + mais toujours avec v + < 15 V . Quand v + = v ! , ! devient positif et on
bascule à v s = +v sat .
• On diminue v + . Quand de nouveau v + < v ! , on rebascule à v s = !v sat .
C’est la valeur de v ! qui fixe la limite de basculement entre +v sat et !v sat .
3) Comparateur à hystérésis
Le pont diviseur donne :
v+ =
R1
R1 + R2
vs = ±
6
v = ±v max .
11 sat
v ! est triangulaire d’amplitude 10 V et
de
fréquence
500
Hz.
On
étudie
( )
v s = f v ! avec !v sat " v s " +v sat .
6
v = v max .
11 sat
6
v = !v max .
• Quand v ! > v max , ! < 0 , v s = !v sat et v + = !
11 sat
6
v = +v max .
• Quand v ! < !v max , ! > 0 , v s = +v sat et v + = +
11 sat
• A t = 0 , v ! < v + , ! > 0 , v s = +v sat et v + = +
8