Amplificateur Opérationnel ∞=

Amplificateur Opérationnel Partie Théorique
Phelma 1A TP électronique
Amplificateur Opérationnel
Remarques préliminaires :
Le texte comporte deux parties, une partie théorique (avec préparations) et une partie pratique.
Toutes les parties théoriques doivent être lues avant le TP et les préparations rédigées.
1 Objectifs du TP
L’amplificateur opérationnel (ou AOP) est un composant intégrant différentes fonctions
constituées d’étages à transistors (amplificateur différentiel, miroirs de courant, amplification
de puissance). Il est doté d’une alimentation (symétrique ou non) (V
+
et V
-
), d'une entrée
différentielle (e
+
et e
-
) et d'une sortie (Vs).
Les caractéristiques de l’AOP permettent de réaliser simplement de nombreux montages
électroniques.
Ce TP a plusieurs objectifs :
- mesurer les imperfections d’un AOP (courants de polarisation, gain de boucle ouverte,…) et
faire la comparaison pour différentes technologies,
- mettre en évidence les conséquences des imperfections dans le cas de montages simples,
- utiliser l’AOP dans des montages linéaires (les montages non linéaires font l’objet d’un
autre TP),
- mettre en œuvre divers principes de mesure.
2 Représentation de l’amplificateur réel
La représentation symbolique d’un amplificateur est donnée à la figure 1. La représentation
normalisée est un rectangle. Le schéma comprend les alimentations (V
+
, V
-
), les entrées (+ et
-, les tensions seront notées e
+
et e
-
dans la suite) et la sortie V
s
. Le gain différentiel total A est
défini par l’amplification différentielle V
s
=A(e
+
-e
-
). Il est indiqué dans l’angle supérieur (∞
dans le cas d’un amplificateur idéal).
V
+
V
-
∞
=
V
-
V
+
figure 1 : Représentation d’un AOP
Les AOP possèdent un fort gain différentiel et des courants de polarisation très faibles. On
considère généralement lors d’une étude théorique que le gain est infini (alors e
+
≅ e
-
en

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régime linéaire, c'est à dire avec une contre-réaction : bouclage sur l'entrée e
-
), les courants de
polarisation négligeables (i
+
=i
-
=0) et donc l’impédance d’entrée infinie.
L’amplificateur opérationnel réel présente des courants de polarisation i
+
et i
-
non nuls (figure
2) et donc une impédance d’entrée finie. Il existe une tension de décalage non nulle e
d
correspondant à la tension à appliquer pour que V
s
=0, (alors e
+
≠ e
-
), un gain de boucle A fini
(V
s
= A.ε) et une impédance de sortie non nulle.
-
+
i
+
e
+
e
-
ε
εε
ε
Vs
V
+
V
-
i
-
= A
figure 2 : Amplificateur réel de Gain A
Afin de représenter toutes ces imperfections, la figure 3 établit un schéma équivalent de
l’amplificateur réel. Les courants de polarisation i
+
et i
-
sont représentés par des sources de
courant, la tension de décalage par une source de tension e
d
, l’amplificateur interne représente
un amplificateur « idéal » de gain A.
+
-
i
+
ε
εε
ε
Vs
V
+
V
-
e
d
i
-
e
+
e
-
A
=
R
s
A
ε
figure 3 : Schéma équivalent de l’AOP réel
3 Mesure des imperfections
L’étude portera sur deux types de technologie : bipolaire (LM741) et JFET pour l'étage
d'entrée (TL081)
3.1 Mesure des courants de polarisation
3.1.1 Principe de la mesure
Les courants de polarisation i
+
et i
-
prennent de très faibles valeurs, et ne sont pas directement
mesurables avec un ampèremètre classique. Le principe de mesure des courants est donné à la
figure 4. Les interrupteurs T
1
et T
2
sont commandés de façon complémentaire . T
1
est ouvert
lorsque T
2
est fermé et réciproquement. Les condensateurs C ont la même valeur. Les
condensateurs sont donc alternativement traversés par les courants de polarisation i
+
et i
-
.

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+
-
i
+
e
-
e
+
Vs
i
-
C
T
1
C
T
2
C= 1nF
figure 4 : Mesure des courants de polarisation
Pour l’étude théorique le gain A de l’amplificateur interne (figure 2) est supposé infini.
3.1.2 Travail de préparation
• En supposant que ε n’intervient pas sur la mesure, et que les courants i
+
et i
-
sont
constants, faire les schémas équivalents du montage lorsque T
1
est fermé (T
2
ouvert), puis
T
1
ouvert (T
2
fermé). Montrer alors que la visualisation des pentes de V
s
permet de
mesurer i
+
et i
-
.
3.2 Mesure de la tension de décalage (Offset) d’entrée et compensation
3.2.1 Principe de mesure
L’amplificateur idéal présenterait une tension d’offset e
d
=0. Afin de mesurer cette tension e
d
dans le cas d’un AOP réel, un montage inverseur est utilisé (figure 5). La capacité C permet
de limiter l’influence du bruit très basse fréquence.
La tension de sortie est donnée par la relation
1
21
RRR
eVs
d
+
=, établie en négligeant le
courant d’offset
−+
−= iii
d
.
R
2
>>R
1
>
V
e
= 0
R
1
R
1
Vs
e
d
+
-
C
figure 5 :Mesure de e
d

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3.2.2 Compensation de la tension d'offset
Afin de compenser cette tension d’offset, certains AOP possèdent un dispositif de
compensation d’offset. Un potentiomètre additionnel permet de faire ce réglage (figure 6). Le
schéma est différent selon la technologie utilisée (a droite TL081, à gauche LM741).
+
-
V
e
Vs
e
d
V
-
+
-
V
e
Vs
e
d
V
-
figure 6 :Montage avec compensation d’offset
Pour les questions suivantes on supposera la tension d’offset compensée.
3.3 Influence des courants de polarisation
Un simple montage inverseur (figure 7) est utilisé pour mettre en évidence l’effet des courants
de polarisation. Le gain du montage dépend des valeurs de résistances. On choisit 100
1
2
=
R
R
avec R
2
=100kΩ. Lorsque V
e
=0V, la tension de sortie V
s
devrait être nulle.
3.3.1 Travail de préparation
Pour V
e
= 0 V, et en considérant que e
+
= e
-
, montrer que la tension V
s
dépend de i
-
.
+
-
V
e
Vs
R
2
R
1
i
+
i
-
figure 7 : Montage inverseur
3.3.2 Compensation des courants de polarisation
Afin de compenser l’effet du courant de polarisation, une résistance R
3
est connectée entre
l’entrée e
+
et la masse (figure 8).

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+
-
V
e
Vs
R
2
R
1
i
+
i
-
R
3
figure 8 : Montage inverseur avec compensation des courants de polarisation
3.3.3 Travail de préparation
On peut montrer que la tension V
s
peut s’exprimer en fonction de i
+
et i
-
, de la forme
es
V
R
R
iRi
RR RR RRR
V
1
2
3
21
21
1
21
−
−
+
+
=
+−
Sachant que les courants de polarisation i
+
et i
-
sont du même ordre de grandeur, un bon choix
de R
3
permet d’annuler l’effet des courants de polarisation. Comment choisir R
3
? Comparer
alors l’expression
e
s
V
V
au cas d’un AOP idéal.
3.4 Mesure du Gain de Boucle ouverte et de la bande passante
En supposant que la tension de décalage est compensée et que les courants de polarisation
sont négligeables (impédances d’entrée et de sortie négligées), le schéma équivalent de la
figure 9 permet de mettre en évidence le gain de boucle ouverte, il apparaît que V
s
=A(j ω ) ε .
La fonction de transfert A(j ω ) peut être assimilée à un premier ordre et se met sous la
forme :
cO
jA
jA
ωω
ω
/
)(
+
=
1
0
.
+
-
ε
εε
ε
Vs
A
=
ε
εε
ε
Vs
A(
j
ω
ωω
ω
)
ε
εε
ε
figure 9 : Gain de boucle ouverte de l’AOP
A
0
prend de très fortes valeurs et la fréquence de coupure f
c0
est une fréquence très basse. La
tension de sortie V
s
est comprise entre les tensions d’alimentation (V
-
et V
+
), la tension ε
prend des valeurs très faibles et quasiment non mesurables. La mesure du gain de boucle
ouverte n’est donc pas directement réalisable. La mesure se fait en boucle fermée par le
montage de la figure 10.