AMPLIFICATEUR

Travaux pratiques intermédiaires de physique DPMC Genève
AMPLIFICATEUR
1. But
Se familiariser avec les amplificateurs différentiels en montage opérationnel à travers l'étude
de leurs caractéristiques et de quelques montages simples.
Décrire les outils nécessaires et leur fonctionnement pour mesurer ces propriétés physiques.
2. Références
- Notice technique de l'amplificateur du type 355 (par ex. National Semiconductors LF355,
jointe à l'expérience), (ou voir site internet www.nsc.com).
- M. Aumiaux, Pratique de l'électronique, Masson 1977, tome I chap. 3 p. 49 et suivantes;
tome II chap. 3 p. 43; (Bibliothèque des T.P.2 N° 2 et 3)
- J.-C. Marchais, L'amplificateur opérationnel et ses applications, Masson, Paris 1978
(Bibliothèque des T.P.2 N° 22)
Bulletin de l’Union des Physiciens 687, 1269 (1986).
Pour en savoir plus
- T.D.S. Hamilton, Handbook of linear integrated electronics for research, Mc Graw-Hill,
London 1977;
- J.G. Graeme, Applications of operational amplifiers, Mc Graw-Hill, New York. 1973. York
Note :
Il n'est pas necessaire de faire chaque manipulation, l’assistant fera un choix parmi les
manipulations proposées.
Toujours décharger les condensateurs en court circuitant les deux fils avant de faire la
mesure.
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3.0 Théorie:
3.1 L'amplificateur simple
Un amplificateur simple est représenté par le symbole suivant :
entrée sortie
U0
U
fig. 1
i
Le symbole en forme de "T" inversé représente la masse, point de référence à partir duquel
on mesure toutes les tensions, et dont le potentiel est par convention zéro volt. C'est
normalement le point commun (retour) des sources de tension qui alimentent l'amplificateur.
Le gain de l'amplificateur est défini comme
G = U0/Ui
Ce gain dépend en général de la fréquence f ou de la pulsation ω =2πF du signal amplifié :
G = G(ω)
3.2 L'amplificateur différentiel
Un amplificateur muni de deux entrées dont l'une ("−") est inverseuse, tandis que l'autre ("+")
ne l'est pas, est susceptible d'un grand nombre d'applications. Il est représenté par le
symbole suivant :
ε
0
UU
fig. 2
U
Son gain est défini par G = U0/ε où ε = U+ − U−. Il amplifie donc la différence entre deux
tensions, d'où son nom. Idéalement, il est insensible au potentiel moyen des deux entrées,
soit (U++U−)/2, si ε est fixé : on dit que l'amplificateur rejette le "mode commun".
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En mettant l'une des entrées à la masse, on retrouve l'équivalent de l'amplificateur simple.
Lorsque, dans un schéma, on utilisera le symbole simplifié suivant :
fig. 3
on sous-entendra que l'entrée "+" est reliée à la masse.
3.3 L'amplificateur en montage opérationnel
On appelle réaction (« feedback » en anglais) en électronique et dans les systèmes asservis
le fait de ramener une partie du signal amplifié à l’entrée de l’amplificateur. Ceci augmente le
gain. Un exemple bien connu est l’effet Larsen en acoustique. Si le signal est réintroduit avec
une inversion de phase, c’est-à-dire s’il est soustrait du signal d’entrée, on parle alors de
contre-réaction (« negative fedback »). Ceci réduit le gain.
La tension lue à la sortie de l'amplificateur différentiel est en phase avec l'entrée "+" et en
opposition de phase avec l'entrée "−" (c'est dans ce sens qu'il faut comprendre les symboles
"+" et "−" des entrées : une tension positive ou négative peut bien sûr être appliquée à
chacune). Il est donc possible d'introduire une contre-réaction sur l'entrée inverseuse "−". Le
gain s'en trouve réduit, mais les caractéristiques de l'amplificateur avec sa contre-réaction
("en boucle fermée") dépendent alors plus des éléments passifs du circuit de contre-réaction
que du gain de l'amplificateur lui-même, ce qui est un avantage considérable. Le même
amplificateur peut servir à réaliser, suivant les éléments utilisés dans le circuit de contre-
réaction, des amplificateurs de gain et de bande passante déterminés, des filtres, des
intégrateurs, des différentiateurs, etc. On parle alors pour l'ensemble de l'amplificateur et de
son circuit de contre-réaction de montage opérationnel. Un montage très général est :
ε
ε
UU
Z
Z
i
i
i0
2
1
2
1
alim.
alim.
fig. 4
i
0
G0
ZZ
On a représenté dans ce schéma les alimentations + et − (généralement ± 15 V) ainsi que
les impédances internes (non accessibles) d'entrée (Zi) et de sortie (Z0). La fonction
d'amplification est symbolisée par un générateur interne qui fournit une tension G0 ε où G0
est le gain en boucle ouverte. Un amplificateur idéal est caractérisé par Zi = ∞, G0 = ∞, Z0 =
0.
Chercher dans la documentation technique les valeurs typiques de ces paramètres pour un
amplificateur du type 355. Comparer avec le type 741, également répandu.
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L'impédance Z1 (respectivement Z2) peut être une résistance, un condensateur, une
inductance, voire tout groupement d'éléments dont le courant de sortie i1 (resp. i2) est une
fonction linéaire de la tension qui lui est appliquée.
Démontrer que le gain d'un amplificateur en "boucle fermée" (en montage opérationnel) est
donné, si Zi = ∞ et Z0 = 0, par
G = U0 / Ui= −(Z2/Z1) G0/ (G0 + 1 + Z2/Z1)
Si de plus G0>> 1 + Z2/Z1 on obtient :
G = −(Z2/Z1)
3.4 Limitations
Pour dimensionner un montage, il est nécessaire de connaître certaines limitations des
amplificateurs opérationnels courants.
- Tension de sortie. Elle ne peut sortir du domaine qui va de −10 à +10 V sans risque de
saturation. A l'autre extrême, des signaux inférieurs au mV à la sortie de l'amplificateur
risquent d'être masqués par le bruit électrique et la dérive thermique.
- Courant de sortie. Ne pas dépasser 10 mA, donc éviter de relier à la sortie une résistance <
1 kΩ L'amplificateur supporte toutefois les court-circuits.
- Courant d'entrée (de polarisation, "bias") Les entrées "+" et "−" nécessitent un courant
faible mais fini. Ce courant continu doit trouver un chemin depuis la masse (R<10MΩ). Si
une entrée reste "en l'air", l'amplificateur ne peut fonctionner.
- Tension de décalage ("offset"). Si l'on applique la même tension sur les deux entrées "+" et
"−" d'un amplificateur différentiel, la sortie devrait être idéalement zéro. Au contraire, on
observe généralement dans ce cas que la sortie est en saturation. Cela provient du fait que
les composants internes de l'amplificateur ne peuvent pas être parfaitement équilibrés. On
définit :
- Tension de décalage à la sortie : c'est la tension effectivement lue à la sortie lorsque la
tension appliquée à l'entrée est nulle (le gain étant réduit pour éviter la saturation);
- Tension de décalage à l'entrée : c'est la tension de décalage à la sortie divisée par le gain.
C'est aussi la tension à appliquer à l'entrée pour effectivement forcer la sortie à zéro. Il est
possible de compenser dans une large mesure ce décalage, qui est de l'ordre du mV, par
un réglage externe.
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Manipulation 1 : mise à zéro de l'amplificateur.
Réaliser le montage suivant. Quel est son gain nominal ?
1kΩ
1MΩ
fig. 5
V
Lire la tension de décalage à la sortie. En déduire! " l'offset" à l'entrée.
Deux broches du circuit intégré servent spécifiquement à la mise à zéro ; elles sont reliées à
un potentiomètre. Annuler au mieux " l'offset" à l'aide du potentiomètre. Juger la stabilité en
observant quelques minutes. Chauffer le circuit avec le doigt. Que se passe-t-il ?
Répéter ce réglage au début de chaque séance.
- Gain en fonction de la fréquence
Le gain G0(ω) est maximum à fréquence nulle (courant continu). Il baisse en fonction de la
fréquence pour atteindre la valeur 1 dans le domaine du mégahertz, à la fréquence ωT. Dans
un amplificateur dit "compensé en fréquence", l'amplification chute de 6 dB par octave.
Définition: un rapport de tension exprimé en dB est égal à 20 fois le logarithme de base 10
de ce rapport. Donc 6 dB est un rapport 2, −12 dB un rapport 1/4 ; un rapport signal/bruit de
80 dB signifie que le signal est 104 fois plus fort que le bruit. Rappelons par ailleurs qu'une
octave est un rapport 2 dans les fréquences et une décade un rapport 10.
(gain en
boucle
ouverte)
G (dB)
gain max.
en continu
gain 1
0- 6 dB / octave
ou
- 20 dB / décade
Q T
fig. 6
log ω
log ωlog ω
Chercher dans les spécifications le gain en continu et ωT
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