V - Espace Pédagogique Claroline

Projet tuteuré L3 S6. CNA ULPH 614
Projet tuteuré. ULPH614. Année 2006-2007
CNA
REALISATION D'UN CONVERTISSEUR NUMERIQUE ANALOGIQUE
INTRODUCTION
Ce projet est divisé en deux parties. Dans la première partie que nous appellerons
manipulation 1, un sujet, rédigé sous forme de TP vous est proposé. Il vous permet
d’acquérir les notions d'électroniques nécessaires pour aborder le problème des
convertisseurs (Amplificateur opérationnel, transistor MESFET…). Vous ne nous
rendrez pas de compte rendu sur cette partie. Par contre, les notions acquises se-
ront évoquées dans le rapport final.
Dans la deuxième partie, un problème plus complexe vous sera proposé. Seules
quelques pistes de réflexion seront données. Sur cette partie vous serez totalement
autonomes pour résoudre le problème posé en vous appuyant bien-sûr sur ce que
vous aurez assimilé dans la manipulation n°1.
Chaque manipulation durera 5h en salle de TP. N’hésitez pas à poser des questions.
Par ailleurs n’oubliez pas que vous pouvez venir nous voir à notre bureau (maximum
2 heures). De plus les salles de TP seront ouvertes en accès libre pendant 2 se-
maines après la fin des manipulations encadrées.
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 1 -

Projet tuteuré L3 S6. CNA ULPH 614
PREMIÈRE PARTIE
1 GÉNÉRALITÉS : AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
1.1 Définition:
Un amplificateur opérationnel présente les caractéristiques suivantes:
Ägain infini (en pratique très grand)
Äimpédance d'entrée infinie (en pratique très grande)
Äimpédance de sortie nulle (en pratique très faible).
1.2 Utilisation:
Les caractéristiques étant optimum, l'amplificateur opérationnel pourra être utilisé pour
toutes sortes de fonctions. Ces fonctions dépendront uniquement des circuits passifs qui se-
ront montés autour de l'amplificateur opérationnel. Ces circuits passifs qui établiront une liai-
son entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur portent le nom de contre-réactions.
Exemple de fonctions :
Äamplification linéaire: le gain et la courbe de réponse ne dépendent que des contre-
réactions.
Äaddition et soustraction de signaux.
Äintégration et dérivation de signaux.
Äproduction d'oscillations.
1.3 Description symbolique:
L'amplificateur opérationnel possède une sortie mais
deux entrées. La tension de sortie e0 ne dépend que de la
différence de potentiel e2-e1 entre les deux entrées. C'est
donc un ampli de type différentiel. On distingue l'entrée in-
verseuse (signe -) au potentiel e1 et l'entrée non inverseuse
(signe +) au potentiel e2. La règle fondamentale est la
suivante: e0 a le signe de e2-e1, ce qui entraîne en particulier
que si e1=e2, e0=0, même avec e1 et e2 non nuls.
1.4 Présentation:
L'amplificateur opérationnel se présente sous la forme d'un circuit intégré équivalent à
un grand nombre de composants actifs et passifs. Il existe sous forme chapeau (comme les
transistors) et sous la forme rectangulaire (à 8 ou 14 broches).
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 2 -
Entrées
Sortie
e
1
e
2
e
0
+
-

Projet tuteuré L3 S6. CNA ULPH 614
1
2
3
4
8
7
6
5
8
7
6
1
2
5
3
4
1
2
3
4
5
6
7
8
Repères
Les schémas ci-dessus représentent le brochage des ampli opérationnels vus de des-
sus.
1
2
3
4
Off set
Entrée inverseuse
Entrée non inverseuse
Alimentation -12V
5
6
7
8
Off set
Sortie
Alimentation +12V
Non connecté
Dans la forme rectangulaire à 14 broches, les
broches non numérotées ne sont pas connectées.
Les ampli opérationnels seront en général montés
sur des supports. Bien noter qu'il s'agit ici du bro-
chage des circuits intégrés et non des supports. Il
faudra donc établir soigneusement le brochage des
supports.
Les connections sont résumées sur le schéma
ci-contre. Remarquer qu'aucun contact du circuit in-
tégré n'est à priori relié à la masse. Les tensions à
chaque contact, sont prises par rapport à la masse
du circuit global.
1.5 Alimentation.
Le circuit intégré est toujours alimenté à l'aide d'une source de tension symétrique:
+12V et -12V.
Afin de ne pas détériorer le circuit intégré, les tensions +12V et -12V devront être
établies simultanément. C'est pourquoi il faudra d'abord connecter le circuit au
module d'alimentation, puis mettre ce dernier au secteur. De même, ne pas décon-
necter les bornes +12V ou -12V avant d'avoir préalablement débranché le module
d'alimentation du secteur.
1.6 Off set.
Etant donné le mode d'alimentation, la tension de sortie sera comprise entre +12V et
-12V. Souvent les contre-réactions seront telles que si e1=e2, e0 sera effectivement nul. Ce
sera le cas dans les circuits étudiés en TP. Le potentiomètre (10kΩ) figurant sur le schéma
précédent sera alors sans effet et pourra être omis dans les montages.
Signalons cependant que dans certains cas, si e1=e2, la valeur de e0 n'est pas toujours
nulle. Elle dépend alors de la position du potentiomètre, ce qui permet de choisir un zéro
pour la tension de sortie, ou tout simplement de régler cette tension à zéro.
Un cas limite, qui ne sera pas étudié en TP, est le cas de l'amplificateur opérationnel en
boucle ouverte, c'est-à-dire, sans contre-réaction. Il est par contre d'un grand intérêt au ni-
veau de l'étude des limites d'utilisation. Dans ce cas, les caractéristiques de l'amplificateur
opérationnel sont telles que le moindre bruit est amplifié dans des proportions considé-
rables, de sorte que même si e1=e2, e0 se bloque à ±12V. On peut alors ramener la tension
de sortie à zéro à l'aide du potentiomètre. C'est la compensation off set.
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 3 -
e
0
e
1
e
2
2
3
7
4
1
5
6
-12V
+12V
-
+

Projet tuteuré L3 S6. CNA ULPH 614
Le réglage de l'offset est équivalent au positionnement du point de fonctionnement sur
la droite de charge, dans un étage à transistor.
2 MONTAGES FONDAMENTAUX.
Dans tous les raisonnements qui vont suivre, on supposera que l'amplificateur opéra-
tionnel fonctionne avec des caractéristiques idéales:
Äle gain
Ge
e e
=− 0
2 1
est infini; cependant, pour que le raisonnement ait un sens
dans la pratique, e0 doit rester fini; donc on peut considérer que e1=e2.
Äl'impédance d'entrée est infinie; donc on peut considérer comme nuls les courants
entrant dans chacune des deux entrées.
Äl'impédance de sortie est nulle.
2.1 Amplificateur inverseur.
L'entrée non inverseuse est reliée à la
masse: e2=0, d'où e1=e2=0.
L'entrée du montage, à tension ve, est
reliée à l'entrée inverseuse par l'impédance
Z1.
L'entrée inverseuse est reliée à la sortie
par l'impédance Z2. La sortie du montage
(tension vs) est prise directement à la sortie
de l'amplificateur opérationnel: vs=e0. La
charge du montage est ZL.
2.1.1 Impédance d'entrée du montage Ze.
Le courant i qui traverse Z1 est aussi le courant d'entrée du montage. La loi d'Ohm
donne:
v e Z
e
− =
1 1
i
ou avec
e Z i
1 1
0 = = , v
e
. d'où:
Z
ee
v
iZ
= =
1
(1).
2.1.2 Gain en tension Gv (ou encore fonction de transfert).
Le courant i se retrouve intégralement dans l'impédance Z2. La loi d'Ohm donne:
e v Z i
s1 2
− =
e ou avec
e Z i
1 2
0 = = , - v
s
. Donc
iv
Z
v
Z
e s
= = −
1 2
d'où:
G
vs
e
v
v
Z
Z
= = −
2
1
(2)
Dans le cas où Z1 et Z2 sont des résistances, ce gain est réel et négatif, d'où la termi-
nologie amplificateur inverseur.
2.1.3 Impédance de sortie du montage Zs
L'impédance de sortie de l'amplificateur opérationnel étant nulle, on peut montrer facile-
ment qu'il en est de même pour l'impédance de sortie ZS du montage. Ce résultat est
d'ailleurs clairement démontré par le fait que le gain en tension GV est indépendant de toute
L3 S6 - Physique - Projet tuteuré - 4 -
Vs
-
+
Z2
µ
Z1
Ve
i
A

Projet tuteuré L3 S6. CNA ULPH 614
charge ZL du montage. Ceci ne signifie en aucun cas que la puissance à la sortie est illimi-
tée.
En effet, il existe une valeur minimum pour la charge ZL au dessous de laquelle se mon-
tage ne fonctionnera plus dans des conditions correctes. Ceci correspond au fait que le cou-
rant débité par la sortie de l'ampli opérationnel ne peut dépasser une valeur limite. Le résul-
tat concernant ZS est donc valable à l'intérieur de cette limite.
2.1.4 Manipulation.
Conseils pratiques : Commencer par câbler l'alimentation de l'amplificateur opération-
nel. Ensuite câbler le circuit à étudier. Il n'est pas nécessaire de déconnecter l'alimentation,
ni le signal pour changer les valeurs des résistances.
A - Pour un signal d'entrée sinusoïdal de fréquence 1kHz et avec Z1=10kΩ et Z2=100kΩ,
sans charge ZL, observer, relever et interpréter les oscillogrammes obtenus à la sortie pour
divers niveaux du signal d'entrée, en particulier les saturations.
Par la suite, on veillera pour les mesures à ne pas avoir de saturation en sortie.
B - Pour un signal d'entrée sinusoïdal de fréquence 1kHz vérifier expérimentalement les
équation (1), impédance d'entrée, et (2), gain en tension, et leur indépendance avec la
charge.
Pour cela, prendre Z1=10kΩ et Z2=100kΩ, sans charge ZL mesurer l'impédance d'entrée Ze
en introduisant en série sur l'entrée une résistance ρ convenable (ρ≈ Z1) (voir Annexe - Me-
sure de l’impédance d’entrée).
C - Pour Z1=10kΩ, Z2=100kΩ et sans charge ZL, tracer la courbe de réponse (Gv(f)) et don-
ner la fréquence de coupure à -3 db.
2.2 Amplificateur non inverseur.
Il s'agit d'un montage analogue au précédent mais destiné à fournir un gain positif au
lieu d'un gain négatif, dans le cas où Z1 et Z2 sont des résistances. Il parait donc logique d'u-
tiliser le schéma ci-dessous, dans lequel les deux entrées e1 et e2 de l'amplificateur opéra-
tionnel ont été inversées par rapport au montage précédent.
En fait ce montage est instable: même pour
ve=0, la tension de sortie vs risque de ne pas rester
nulle et de glisser vers les valeurs limites ±12V. En
effet, supposons que par effet du bruit, e1-e2 soit lé-
gèrement différent de zéro (quelques µV). Le gain
( )
e e e
0 1 2
−
de l'amplificateur opérationnel étant
très grand, une tension de l'ordre du volt pourra
alors apparaître à la sortie e0. Cette tension sera partiellement ramenée sur l'entrée e2 par
l'impédance Z2, ce qui augmente
( )
e e
1 2
−
, donc augmente encore e0 et ainsi de suite, jus-
qu'à ce que e0 ait atteint sa valeur limite. Cette instabilité est due au fait que les tensions e0
et
( )
e e
1 2
−
sont de même signe; ce signe sera celui de la faible valeur initiale
( )
e e
1 2
−
.La
valeur limite de e0 sera atteinte très rapidement (quelques ms) après la mise sous tension de
l'amplificateur opérationnel.
Le montage amplificateur inverseur ne présente pas cet inconvénient car toute dérive
de e0 est ramenée partiellement sur l'entrée e1 par l'impédance Z2; cette dérive partielle de e1
est encore celle de
( )
e e
1 2
−
qui est de signe opposé à celui de e0; elle entraînera donc pour
e0 une nouvelle dérive en sens inverse de la première. Ainsi toute dérive de e0 entraîne une
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Vs
-
+
Z2
µ
Z1
Ve