Le conditionnement du signal

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amplificateurs linéaires intégrés
Le conditionnement du signal
Compétences attendues:
o
o
o
à partir du cahier des charges des associations de fonctions de l'é lectronique réalisant un conditionnement du signal issu d'un capteur, un
dispositif de mesures ou une conversion de grandeurs,
donner la fonction de transfert d’un filtre analogique,
valider son comportement (étude logicielle)
1- Introduction :
L’objectif du conditionnement du signal est de mettre en forme les informations généralement issues des
capteurs pour les rendre exploitable pour l’unité de traitement.
Ce conditionnement est souvent assuré par un composant électronique qui se nomme :
Amplificateur Linéaire Intégré (ALI)
Exemple : Capteur de luminosité d’un store automatisé :
Un store automatique est sensible à la présence ou à l’absence de soleil : il doit descendre si
l’intensité lumineuse dépasse un certain seuil, remonter si elle repasse en-dessous de ce seuil.
Le capteur de lumière nécessaire à cette fonction est une photorésistance. Cette photorésistance
laisse circuler un courant d’autant plus grand que la luminosité est importante.
Ce courant est l’entrée de la fonction "Détecter un niveau de luminosité", qui fait apparaître
plusieurs fonctions électroniques classiques dans toute chaîne d’acquisition de mesure : filtrage,
amplification, mise en forme (comparaison et adaptation) :
ALI
Conditionnement du Signal / Mise en forme du signal
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Le problème est que le capteur de lumière est peu
sensible, c'est-à-dire qu’une forte variation de
luminosité ne produit qu’une faible variation de la
tension image V1. Pour rendre la détection plus
sensible, il faut augmenter la pente ∆tension / ∆lumière
en amplifiant V1, c'est-à-dire en le multipliant à une
constante.
Puisque le signal de sortie de la chaîne « détecter un niveau de luminosité » doit être binaire, il faut
ensuite transformer la tension analogique V3 en une tension logique V5. Cette conversion
analogique → logique est une mise en forme. On utilise un comparateur à hystérésis dont la
caractéristique est la suivante :
On voit ainsi que le même composant, un ALI (Amplificateur Linéaire Intégré), permet de réaliser
deux fonctions de conditionnement totalement différentes.
La fonction de conditionnement 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 ;
1-1 Symbole et brochage : ALI : Amplificateur Linéaire Intégré
alimentation
+ +Vcc
+ +Vcc
S
-
-Vcc
Norme française
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entrées
- -Vcc
S
Norme américaine
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sortie
brochage
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1-2 Caractéristique de transfert d’un ALI :
Symbole
d’amplification
Tension différentielle : ε = V+ - VL’ALI se comporte comme un amplificateur
Valeur
d’amplification
.
.
Avd : amplification en mode différentiel (ex 105)
Avc : amplification en mode commun (environ 1)
Donc :
.
.
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)
Zone linéaire
VS
L’ALI fonctionne donc en amplificateur pour :
| |
+Vcc
Cette tension est très faible.
Un ALI n’est donc jamais utilisé en boucle ouverte
pour amplifier un signal.
ε
Nécessité de réaliser une boucle de réaction.
Soit le montage ci-dessous avec une contre
réaction :
-Vcc
Zone non linéaire
On a :
.
Et :
.
.
On peut donc modéliser le fonctionnement du montage ci-dessus par :
La loi d’entrée/sortie est donnée par :
.
Donc :
.
.
Or Av d étant très grand on en déduit :
On distinguera par la suite deux modes de fonctionnement de l’ALI :
Fonctionnement en non linéaire : saturation
Fonctionnement en linéaire : amplification
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1-3 Caractéristiques d’un ALI parfait :
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-
Impédance d’entrée différentielle infinie Ze :
→ i + = i - = 0 et Ze = Ve / Ie
-
Impédance de sortie nulle Zs :
→ Vs indépendant du courant de sortie
Zs = Vs / Is
Amplification différentielle Av d infinie :
→ En régime linéaire ε = 0
→ V+ = V-
-
2- Montage ALI en régime non linéaire :
Conditions :
Pour qu’un ALI fonctionne en Régime Non Linéaire, il faut :
- Pas de boucle de contre réaction (liaison entre la sortie et l’entrée -) ;
- Possibilité d’une 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 Régime Non Linéaire : RNL
Les comparateurs : Permettent de comparer un signal à une ou plusieurs tensions de références.
Les multivibrateurs : Permettent de générer des signaux périodiques ou non.
2-1 Les comparateurs :
On distingue 2 types de comparateurs :
- comparateurs simples : Seuil de comparaison unique;
- comparateurs à hystérésis : Seuil de comparaison double.
2-1-1 Les comparateurs simples :
Montage comparateur simple non inverseur
Si Ve > 0 => ε > 0 => Vs = +Vcc
Si Ve < 0 => ε < 0 => Vs = -Vcc
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Montage comparateur simple inverseur
Si Ve > 0 => ε < 0 => Vs = -Vcc
Si Ve < 0 => ε > 0 => Vs = +Vcc
Dans ces 2 montages, le seuil de comparaison est la valeur 0.
Il est tout à fait possible de comparer le signal Ve à un autre signal noté Vref .
Montage comparateur simple non inverseur avec Vref > 0 :
Si Ve > Vref => ε > 0 => Vs = +Vcc
Si Ve < Vref => ε < 0 => Vs = -Vcc
2-1-2 Les comparateurs à hystérésis :
Montage comparateur à hystérésis non inverseur :
En appliquant le théorème de Millman au point de
l’entrée non inverseuse, on obtient :
.
.
Vs
Vcc
Or Vs = +Vcc si ε > 0, donc pour :
Soit donc pour :
>
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<
.
>0
.
Ve
.
Or Vs = -Vcc si ε < 0, donc pour :
Soit donc pour :
.
.
!
.
<0
Vh
Vb
-Vcc
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Comme pour les comparateurs simples, il est tout à fait possible de décaler le centre du cycle d’hystérésis.
Montage comparateur à hystérésis non inverseur :
La loi d’entrée/sortie est donc :
REGLE DE PARCOURS DU CYCLE D’HYSTERESIS :
Le premier seuil rencontré est ignoré, on bascule au second.
2-2 Les multivibrateurs :
On distingue 2 types de multivibrateurs :
- multivibrateur astable : générateur de signaux périodiques;
- multivibrateur monostable : générateur d’une impulsion de durée calibrée.
2-2-1 Les multivibrateurs astables :
montage multivibrateur astable :
On suppose que le condensateur C est initialement
déchargé.
Remarque : Il ne reviendra jamais dans cet 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.
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 prend 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.
On a : uC = Ve et #.
Dont la solution est :
"
"
!
.
"
#
Ve(t) décroît exponentiellement pour tendre vers –Vcc.
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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 :
"
"
.
!
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#
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 .
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.
)
"
#. $% &
"
'
Avantage de ce montage :
- Réglage de la fréquence par action sur R0 et R1.
Inconvénient de ce montage :
- rapport cyclique fixe et = 0.5
3- Montages ALI en régime linéaire :
Conditions :
Pour qu’un ALI fonctionne en Régime Linéaire, il faut :
- une boucle de contre-réaction (liaison de la sortie sur l’entrée -)
Si l’ALI est considéré comme parfait, on a : ε = 0
ε = V+ - V- soit : V+ = Vi+ = i- = 0
Méthodologie d’études des montages linéaires :
Donc :
1
2
3
Nature de la stabilité
Méthode de calcul
Conduite de calcul
4
5
Présentation des résultats
Vérification
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- ALI en régime linéaire (contre réaction)
- Théorème de Millman (le plus souvent)
- Expression du potentiel en E+ ou E- Relations fondamentales : ε = 0, i+ = i- = 0
- Expression de la fonction de transfert Vs / Ve
- Signal d’entrée en E+ : montage non-inverseur
- Signal d’entrée en E- : montage inverseur
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Montage amplificateur non inverseur
1°) Présence d’une contre réaction, donc : fonctionnement
en régime linéaire.
V+ = V- et i+ = i- = 0
2°) Application du théorème de Millman à l’entrée
inverseuse :
3°) Expression des potentiels en E+ et E- :
.
4°) Expression de la fonction de transfert :
&
'
5°) Vérification :
Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée non inverseuse, donc montage non inverseur.
Montage amplificateur inverseur
1°) Présence d’une contre réaction, donc :
fonctionnement en régime linéaire.
V+ = V- et i+ = i- = 0
2°) Application du théorème de Millman à l’entrée
inverseuse :
3°) Expression des potentiels en E+ et E- :
*
4°) Expression de la fonction de transfert :
*
5°) Vérification :
Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée inverseuse, donc montage inverseur.
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Montage dérivateur inverseur
1°) Présence d’une contre réaction, donc :
fonctionnement en régime linéaire.
V+ = V- et i+ = i- = 0
2°) Expression des potentiels en E+ et E- :
V+ = 0
,
.+
*
3°) Expression de la fonction de transfert :
.+
*
Or :
+
Donc
*
#
, "
"
#
"
,
"
5°) Vérification :
Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée inverseuse, donc montage dérivateur inverseur.
Montage intégrateur inverseur
1°) Présence d’une contre réaction, donc :
fonctionnement en régime linéaire.
V+ = V- et i+ = i- = 0
2°) Expression des potentiels en E+ et E- :
V+ = 0
,
.+
*
3°) Expression de la fonction de transfert :
,
*
Or :
+
Donc
#
.+
, "
"
#
*
"
>
*
#
.-
"
"
5°) Vérification :
Le signal d’entrée Ve est relié à l’entrée inverseuse, donc montage intégrateur inverseur.
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