Montages a base d`ALI
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Le conditionnement du signal Études des montages à base d’ALI Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu Le conditionnement du signal Plan de la présentation Introduction générale sur le Conditionnement du signal Introduction sur les ALI Symbole, Caractéristique de transfert Régime de fonctionnement Caractéristiques d’un ALI parfait Imperfections des ALI Montages à ALI en régime non linéaire Rappels Les comparateurs Les multivibrateurs Montages à ALI en régime linéaire Les montages avec composants linéaires Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Les montages à diodes Le conditionnement du signal Introduction générale CHAINE D’ENERGIE / INFORMATION AGIR Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Conditionnement du Signal Mise en forme du signal Le conditionnement du signal Introduction générale L’objectif du conditionnement du signal est de Traiter les informations généralement issues des capteurs. Cette fonction permet donc : Adapter le signal électrique pour lui donner la forme la plus appropriée pour son traitement; Amplifier le signal; Filtrer les signaux (suppression du bruit et des fréquences parasites); Linéariser les signaux sur une étendue de mesure; Convertir en signaux numériques les grandeurs électriques analogiques; ... Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Introduction sur les ALI ALI = Amplificateur Linéaire Intégré. Appelé aussi AOP Symbole et brochage : Norme française + +Vcc S -Vcc Norme américaine + +Vcc - -Vcc On omet généralement de placer les bornes d’alimentation. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 S Le conditionnement du signal Introduction sur les ALI Caractéristiques de transfert d’un ALI +Vcc i+ E+ Symbole d’Amplification Valeur d’Amplification Avd + ε S - Ei- V+ Vs V-Vcc Tension différentielle : V V L’ALI se comporte comme un amplificateur : Vs Avd . V V V V Avc . 2 Avd = amplification en mode différentiel (ex : 105) Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Avc = amplification en mode commun (environ 1) Donc : Vs Avd . V V Avd . Le conditionnement du signal Introduction sur les ALI Caractéristiques de transfert d’un ALI (suite) La tension de sortie est limitée en théorie à l’intervalle [+Vcc;-Vcc]. En réalité, à [+Vsat;-Vsat]. +Vcc - Vsat est appelée tension de déchet (de l’ordre de 1 à 2 V) sauf pour les ALI dit « rail to rail » (qqs millivolts). Zone linéaire Vs +Vcc L’ALI fonctionne donc en amplificateur pour : ε Vcc 15 5 150V Avd 10 Cette tension est très faible. Un ALI n’est donc jamais utilisé en boucle ouverte. Sébastien -Vcc Nécessité d’une boucle de réaction. GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Zone non linéaire Le conditionnement du signal Régimes de fonctionnement d’un ALI Considérons le montage ci-dessous avec une contre réaction : V V On a : Vs Avd . Avd + ε S Ve V Ve De plus : R1 V Vs . k .Vs R1 R0 Vs R0 R1 On peut donc modéliser le fonctionnement du montage ci-dessus par : Ve ε + Avd k Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 La loi d’entrée/sortie est donnée par la relation de Black : V- donc Vs A . R R2 Vs vd 1 Ve R1 R2 R1. Avd Or Avd est très grand, donc : Avd Vs Ve 1 k . Avd R Vs R1 R2 1 2 Ve R1 R1 Le conditionnement du signal Introduction sur les ALI Fonctionnement avec contre-réaction (suite) Étude de la stabilité : Il y a donc compensation. Un point d’équilibre est possible. On dit que le montage est stable. Le montage est dit en fonctionnement linéaire. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Régimes de fonctionnement d’un ALI Considérons le montage ci-dessous avec une réaction positive : Avd ε S + Ve R0 R1 Vs V V On a : Vs Avd . V Ve De plus : R1 V Vs . k .Vs R R 1 0 On peut donc modéliser le fonctionnement du montage ci-dessus par : Étude de la stabilité : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Pas de compensation. Fonctionnement en régime non linéaire. Le conditionnement du signal Introduction sur les ALI Caractéristiques d’un ALI parfait +Vcc i+ E+ Avd + ε E- S - i-- V+ Vs V--Vcc -Impédance d’entrée différentielle infinie Ze : → i += i -= 0 - Impédance de sortie nulle Zs : → Vs indépendant du courant de sortie -Amplification différentielle Avd infinie : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 → En régime linéaire ε=0 → V+ = V- Le conditionnement du signal Introduction sur les ALI Imperfections d’un ALI - Impédance d’entrée différentielle non infinie Ze : → i + et i - ≠ 0 (de l’ordre du picoampère) - Existence d’une tension d’offset : → Vs = 0 impossible même sans tension sur V+ et V- Amplification différentielle Avd non infinie et dépend de la fréquence - Slew Rate : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Rappels : Pour qu’un ALI fonctionne en Régime Non Linéaire, il faut : - Pas de boucle de réaction; - Réaction positive (liaison entre la sortie et l’entrée +). Étude de la tension de sortie Vs : Si ε >0, alors Vs = +Vcc Si ε <0, alors Vs = -Vcc Différents montages d’ALI en RNL : Les comparateurs : Permettent de comparer un signal à une ou plusieurs tensions de références. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Les multivibrateurs : Permettent de générer des signaux périodiques ou non. Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les comparateurs : On distingue 2 types de comparateurs : - comparateurs simples : Seuil de comparaison unique; - comparateurs à hystérésis : Seuil de comparaison double. Les comparateurs simples : Considérons le montage ci-dessous. + ∞ ε Ve Vs Vs Vcc Ve Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Comparateur simple non inverseur -Vcc Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Considérons maintenant le montage ci-dessous. + ∞ ε Ve Vs Vs Vcc Comparateur simple inverseur Ve -Vcc Dans ces 2 montages, le seuil de comparaison est la valeur 0. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Il est tout à fait possible de comparer le signal Ve à un autre signal noté Vref. Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL + ∞ ε Ve Vs Vref Vs Vcc Comparateur simple non inverseur avec Vref >0. Vref -Vcc Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Ve Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les comparateurs à hystérésis : Considérons le montage ci-dessous. R0 + R1 ε En appliquant le théorème de Millman au point de l’entrée non inverseuse, on obtient : ∞ S Ve Vs Vs Vcc Or Vs = +Vcc si ε > 0, donc pour : Soit donc pour : Ve Vh Vb Or Vs = -Vcc si ε < 0, donc pour : Sébastien Soit donc pour : -Vcc GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 COMPARATEUR A HYSTERESIS NON INVERSEUR Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les comparateurs à hystérésis (suite) : Considérons maintenant le montage ci-dessous. ∞ ε S + En appliquant le théorème de Millman au point de l’entrée non inverseuse, on obtient : Ve R0 Vs R1 Vs Vcc Or Vs = +Vcc si ε > 0, donc pour : Soit donc pour : Ve Or Vs = -Vcc si ε < 0, donc pour : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Soit donc pour : Vh Vb -Vcc COMPARATEUR A HYSTERESIS INVERSEUR Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les comparateurs à hystérésis (suite) : Comme pour les comparateurs simples, il est tout à fait possible de décaler le centre du cycle d’hystérésis. La loi d’entrée/sortie est donc : Le montage est donc : Vs R0 + R1 ε ∞ Vcc S Ve Vs Vref Ve Vb Vref -Vcc Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 REGLE DE PARCOURS DU CYCLE D’HYSTERESIS : Vh Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les comparateurs à hystérésis (fin) : Intérêt des comparateurs à hystérésis / comparateur simple Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les multivibrateurs : On distingue 2 types de multivibrateurs : - multivibrateur astable : générateur de signaux périodiques; - multivibrateur monostable : générateur d’une impulsion de durée calibrée. Les multivibrateurs astables : Considérons le montage ci-dessous. On suppose que le condensateur C est initialement déchargé. R ∞ ε S + C Ve R0 R1 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Vs Remarque : Il ne reviendra jamais dans cette état tant que l’ALI est alimenté. Le montage est composé d’un ALI en régime non linéaire fonctionnant en comparateur à hystérésis et d’un circuit RC. Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les multivibrateurs astables (suite) : La tension de sortie vaut +Vcc. Il apparaît donc un régime transitoire, inintéressant pour l’étude. En régime permanent, la période T de l’oscillateur est égale à : - t1 : durée de l’état bas de la tension de sortie Vs - t2 : durée de l’état haut de la tension de sortie Vs On prends une nouvelle origine des temps (t=0) au moment où la sortie passe de +Vcc à –Vcc. Ce basculement s’est produit car la tension Ve(t=0)=Vh. iC R C On a uC=Ve et Dont la solution est : Sébastien Vs = -Vcc GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Ve(t) décroît exponentiellement pour tendre vers –Vcc. Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les multivibrateurs astables (suite) : Or lorsque Ve(t) atteint Vb, la tension de sortie rebascule à +Vcc. On notera t1 cet instant du basculement. A cet instant, Ve(t1) vaut : On en déduit donc l’expression de la durée t1 : Le basculement ayant eu lieu à l’instant t1, la tension de sortie vaut donc maintenant Vs = +Vcc. Le condensateur se charge donc à travers la résistance R sous la tension +Vcc. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Dès que la tension Ve va atteindre Vh, la sortie rebasculera ainsi de suite. Cet instant est noté t2. Le condensateur se charge et se décharge à travers la même résistance, donc t2=t1. Vb R1 .Vcc R1 R0 Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les multivibrateurs astables (suite) : Ve +Vcc Vs temps -Vcc Régime transitoire t1 t2 Avantage de ce montage : - Réglage de la fréquence par action sur R0 et R1. Inconvénient de ce montage : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 - rapport cyclique fixe et = 0.5 Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les multivibrateurs astables (fin) : Si l’on veut régler le rapport cyclique, on utilise le montage suivant. D1 k.Rp R’ D2 R’’ Avantage de ce montage : ∞ - S + - Réglage de la fréquence par action sur R’p. C Ve R0 R’p R1 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 - rapport cyclique réglable Vs par action sur Rp. Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les multivibrateurs monostables : Objectif : Créer une temporisation de durée réglable après une impulsion d’entrée. On considère le montage suivant. ∞ ε S + Ve C R R1 Vref >0 R0 iC Vs uC En l’absence de tension Ve, il existe un état stable du montage lorsque la tension uC est constante. En effet, si uC est constante, iC est nul. Donc, V+ = Vref et Vs = +Vcc car ε > 0 et V- = 0. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 D’où : uC = Vref - Vcc Le conditionnement du signal Montages ALI en RNL Les multivibrateurs monostables (suite) : A l’instant t=0, on applique une tension Ve > Vref. Donc ε change de signe, et Vs passe à –Vcc. Un premier régime transitoire prend naissance. Le condensateur se charge sous la tension Vref + Vcc. iC R0+R1 C En notant τ=(R0+R1)C, on a : Vcc + Vref Qui a pour solution : Le potentiel de l’entrée non inverseuse vaut : Donc : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Les multivibrateurs monostables (suite) : Montages ALI en RNL Détermination de la valeur maximale de Vref : Immédiatement après la disparition de l’impulsion (t=0+), on doit avoir Vs = -Vcc pour qu’il y ait basculement de la tension de sortie. On doit donc avoir : Soit : A l’instant t = T, la tension V+ s’annule. On peut donc en déduire la valeur de la durée T, et on obtient : Un second régime transitoire apparaît jusqu’à l’état stable de départ Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 (V+ = Vref). Le conditionnement du signal Les multivibrateurs monostables (fin) : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Montages ALI en RNL Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Rappels : Pour qu’un ALI fonctionne en Régime Linéaire, il faut : - boucle de contre-réaction; Si l’ALI est considéré comme parfait, on a : 0 Donc : V V Méthodologie d’études des montages linéaires : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Considérons le montage suivant : ε=0 1°) Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement en régime linéaire. ∞ + V V R0 Ve Vs R1 2°) Application du théorème de Millman à l’entrée inverseuse : 3°) Expression des potentiels en E+ et E- : V Ve V R1 Vs R1 R0 4°) Expression de la fonction de transfert : R Vs 1 0 Ve R1 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 5°) Vérification : Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée non inverseuse, donc montage non inverseur. Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Considérons maintenant le montage suivant : 1°) Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement en régime linéaire. R0 R1 ε=0 - V V ∞ + Ve Vs 2°) Application du théorème de Millman à l’entrée inverseuse : 3°) Expression des potentiels en E+ et E- : V 0 R Vs R0Ve V 1 R1 R0 4°) Expression de la fonction de transfert : R0 Vs Ve R1 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 5°) Vérification : Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée inverseuse, donc montage inverseur. Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Considérons maintenant le montage suivant : ε=0 + 1°) Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement en régime linéaire. ∞ V V Ve Vs 2°) Expression des potentiels en E+ et E- : V Ve V Vs 3°) Expression de la fonction de transfert : Vs Ve 4°) Vérification : Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée non inverseuse, donc montage suiveur non inverseur. Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Montage très utilisé pour l’adaptation d’impédance, car impédance d’entrée infinie. Le conditionnement du signal Montages ALI en RL EXERCICES R1 R0 R2 R1 ∞ - ε=0 ε=0 - + V1 R2 V1 V2 Vs R3 R0 V2 Vs R3 R1 R0 R2 R3 ε=0 V1 Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 V2 - ∞ + V3 ∞ + Vs Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Considérons maintenant le montage suivant : R0 1°) Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement en régime linéaire. C ε=0 - ∞ V V + Ve Vs 2°) Expression des potentiels en E+ et E- : V 0 Ve uC R0iC Vs 3°) Expression de la fonction de transfert : Ve uC Vs R0 .iC duC Or : iC C dt Donc : Vs R0C dVe dt 5°) Vérification : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée inverseuse, donc montage dérivateur inverseur. Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Considérons maintenant le montage suivant : C R0 ε=0 - 1°) Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement en régime linéaire. V V ∞ + Ve Vs 2°) Expression des potentiels en E+ et E- : V 0 Ve uC R0iC Vs 3°) Expression de la fonction de transfert : Ve R0 .iC duC Or : iC C dt Donc : Ve R0C Vs uC dVs 1 Vs . Ve(t )dt dt R0C 5°) Vérification : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée inverseuse, donc montage intégrateur inverseur. Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Les montages à diodes : Objectif : Réaliser des montages redresseur en électronique à base d’ALI et des diodes. Problème de la diode de redressement : Caractéristique de transfert souhaitée : Ve 1.2V 0.8V temps Vs Vs 0.4V Ve temps Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Détermination de la loi d’entrée/sortie : Considérons le montage suivant : ε Avd Vs RiD V ' s VF D iD V ' s Avd . Avd . V V + Ve Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 V’s R Vs Pour que la diode conduise, il faut que : Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Redresseur double alternance positif : Réalise la fonction valeur absolue. R - ∞ R D ε ε + + Premier AOP : ∞ 1 VR . Ve Ve 2 - VR 2R Vs 2R Ve R Second AOP : Fonctionne en linéaire car contre réaction Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Donc : Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Modèle approché de la diode de redressement : Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Considérons le montage suivant : vD iD Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement en régime linéaire. D R V V 0 ∞ - Ve RiD ε + Ve Vs Ve RI s Donc : Vs VT ln Amplificateur logarithmique Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Vs vD Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Considérons le montage suivant : Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement en régime linéaire. R V V 0 D iD - ∞ Ve vD ε Ve vD + Vs Donc : Vs RI s .e Ve VT Amplificateur exponentiel ou anti log Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Vs RiD Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Le conditionnement du signal Montages ALI en RL Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1
