Electrocinétique Sommaire 1 Amplificateur opérationnel sans contre

Lycée Newton - PT
EC - TP1 - Amplificateur opérationnel
Electrocinétique
TP no 1 : Amplificateur opérationnel
Sommaire
1
Amplificateur opérationnel sans contre-réaction sur l’entrée inverseuse (régime saturé)
1.1 Principe du comparateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Comparateur simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Comparateur à hystérésis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
2
3
2
Amplificateur opérationnel avec contre réaction sur l’entrée inverseuse (fonctionnement linéaire)
2.1 Montage amplificateur non inverseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Montage amplificateur inverseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Montage suiveur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
6
6
3
Les limites du régime linéaire de l’amplificateur opérationnel
3.1 Saturation en tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Vitesse de balayage (slew-rate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Saturation en courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Courants d’entrée (Complément) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Influence des courants d’entrée et équilibrage des résistances
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7
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8
9
9
10
Précautions d’emploi :
– Alimenter l’amplificateur opérationnel en +Vcc et −Vcc avant d’appliquer les tensions d’entrée
V+ et V−. En conséquence, on veillera à toujours éteindre les générateurs de tensions (GBF ou
alimentation continue) avant de couper l’alimentation de l’amplificateur opérationnel.
– Parce que l’alimentation continue est un appareil qui n’est pas relié à la terre - un tel appareil est
dit « à masse flottante » - il faudra que la référence de potentiel de l’alimentation (0 V) soit reliée à
la masse commune du montage.
– Les tensions d’entrée ne doivent pas dépasser les tensions d’alimentation +Vcc et −Vcc .
1
1.1
Amplificateur opérationnel sans contre-réaction sur l’entrée inverseuse (régime saturé)
Principe du comparateur
On se propose ici d’observer le régime de saturation de l’AO et le comportement fortement non linéaire lorsqu’il
fonctionne en boucle ouverte (sans contre réaction). Pour ce faire :
• Alimenter l’AO en +15 V/−15 V sur les bornes +Vcc et −Vcc .
• Connecter le GBF sur les entrées non inverseuse (V+) et inverseuse (V−) :
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1/??
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+
−
V
Vs
• Générer une tension triangulaire à basse fréquence (autour de 150 Hz). On limitera l’amplitude du signal
d’entrée à 1 V RMS (efficace). Observer et faire un schéma de la forme de la tension de sortie. Faites de même
avec un signal d’entrée sinusoïdal :
.
• Utiliser maintenant le GBF comme une source de tension continue. Pour cela, il faut mettre la fréquence à 0
et utiliser l’offset du GBF. Brancher le voltmètre numérique sur la sortie du GBF (ou sur l’entrée du circuit)
et essayer d’appliquer la différence de potentielle (ddp) la plus faible possible entre V+ et V− pour éviter de
saturer la sortie de l’amplificateur opérationnel. Quelle est la plage de tension d’entrée utile ? A quoi peut
servir ce type de montage ?
.
1.2
Comparateur simple
• En utilisant un pont diviseur de tension, proposer un montage permettant de comparer une tension alternative
à une tension continue ajustable connectée sur l’entrée inverseuse, appelée tension de seuil, et comprise entre 0
et 15 V :
.
• Vérifier le rôle de comparateur du montage à l’aide d’une tension sinusoïdale de basse fréquence ( f ' 200 Hz)
en visualisant les potentiels V+ et Vs en fonction du temps. Faire varier la tension de seuil et vérifier les valeurs
remarquables de V+ lors du basculement de Vs :
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• Visualiser V+ en fonction de V− (en mode XY). Commenter.
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1.3
Comparateur à hystérésis
Considérons le montage suivant :
−
+
V−
Vs
V+
R2
R1
• Quelles sont les valeurs possibles pour V+ ? En déduire des valeurs pertinentes pour R1 et R2 permettant de
mettre en évidence le rôle comparateur du montage.
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• Choisir une tension V− , d’amplitude 10 V et de fréquence 500 Hz. Observer V− et Vs en fonction du temps.
Tracer les variations de V− , V+ et Vs .
.
Phénomène d’hystérésis :
Le concept d’hystérésis traduit la persistance d’un phénomène quand cesse la cause qui l’a produit.
Ainsi, l’état d’un système soumis à ce phénomène dépend, non seulement des contraintes extérieures,
mais aussi de l’état antérieur du système. Pour cette raison, le phénomène d’hystérésis est associé à la
notion de mémoire du système.
Bascule de Schmitt :
La bascule (ou trigger) de Schmitt est un composant qui réalise une hystérésis. Sa sortie numérique passe
à 1 lorsque son signal analogique en entrée franchit un seuil haut, mais elle ne retombe à 0 que lorsqu’il
franchit un seuil bas différent. Ces types de montages permettent de s’assurer de la stabilité d’un signal
de sortie logique en fonction d’un signal d’entrée analogique.
2
2.1
Amplificateur opérationnel avec contre réaction sur l’entrée inverseuse
(fonctionnement linéaire)
Montage amplificateur non inverseur
• Réaliser le montage d’un amplificateur non inverseur à l’aide d’un pont diviseur résistif en contre réaction sur
l’entrée inverseuse :
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R2
.
R1
−
∞
ve
+
R2
vs = 1 +
ve
R1
vs
• Entrer un signal sinsusoïdal de 0,1 V RMS. Mesurer la valeur du signal de sortie pour R1 = 1 kΩ et R2 = 1 kΩ,
10 kΩ et 100 kΩ. En déduire les gains maximaux en tension :
.
• En conservant R2 = 100 kΩ, augmenter la valeur du signal d’entrée afin d’observer la saturation de l’amplificateur opérationnel. Expliquer.
.
• Utiliser le mode XY de l’oscilloscope pour visualiser Vs = f (Ve ). Qu’observe-t-on ? Que représente la pente ?
.
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2.2
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Montage amplificateur inverseur
• Réaliser le montage ci-dessous :
• Observer en mode XY la caractéristique Vs = f (Ve ) de ce montage. Déterminer expérimentalement le gain de
ce montage et comparer la mesure au résultat théorique attendu.
.
2.3
Montage suiveur
Le suiveur correspond au montage pour lequel la sortie est directement reliée à l’entrée inverseuse et pour lequel la
tension d’entrée est imposée entre la masse et l’entrée non-non inverseuse :
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3
Les limites du régime linéaire de l’amplificateur opérationnel
On recherche ici les limites de fonctionnement d’un A.O. idéal comportant une rétroaction sur son entrée inverseuse.
3.1
Saturation en tension
Réaliser un montage amplificateur inverseur. La tension d’entrée sera délivrée par un GBF, et l’oscilloscope permettra
de visualiser la tension de sortie. Régler le GBF de manière à délivrer un signal sinusoïdal. Faire varier l’amplitude
de la tension d’entrée entre 0 V et 2 V et observer la forme du signal de sortie :
.
Ce phénomène est appelé saturation en tension de l’amplificateur : la tension de sortie ne peut dépasser une valeur
appelée tension de saturation, notée ±Vsat .
En pratique, on observe souvent une dissymétrie entre la saturation basse et la saturation haute, due d’une part à une
éventuelle dissymétrie de l’alimentation continue et d’autre part à une dissymétrie intrinsèque de l’amplificateur
opérationnel.
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3.2
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Vitesse de balayage (slew-rate)
On garde le même montage. Cette fois, on fixera une amplitude relativement importante et on augmentera la
fréquence jusqu’à observer une déformation du signal :
.
Il existe une limitation de la vitesse de variation de la tension en sortie de l’amplificateur opérationnel. Cette vitesse
limite, notée σ et appelée « vitesse limite de balayage » ou « slew rate », caractérise le temps de réponse d’un A.O :
dVs dt ≤ σ
Proposer un protocole permettant de mesurer cette vitesse de balayage limite :
.
Remplacer l’AO µA741 par un AO TL081. A-t-on le même phénomène avec l’AO TL081 ?
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3.3
Saturation en courant
Placer une résistance réglable en sortie d’un montage suiveur et diminuer sa valeur jusqu’à oberver une déformation
de la tension de sortie de l’AO.
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8/??
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.
.
Ce phénomène est appelé saturation du courant de sortie : is ≤ Isat . Le courant de sortie is produit un échauffement
des composants internes en circulant dans l’A.O. Afin d’éviter une détérioration de leurs composants, les AO sont
en général munis de limitateurs de courants de sortie.
Proposer une mesure de l’intensité du courant de saturation :
.
3.4
Courants d’entrée (Complément)
3.4.1
Définitions
La résistance d’entrée de l’AO n’étant pas infini, les courants d’entrée i+ et i− ne sont en réalités pas nuls. Ces deux
courants sont caractérisés par :
– le courant de polarisation (input bias currant) :
ib =
i+ + i−
2
– le courant de décalage d’entrée (input offset current) :
ios = |i+ − i− |
Valeurs numériques :
– technologie bipolaire (ex. : µA741) : ib ∼ 80 nA ; ios ∼ 20 nA ;
– technologie JFET (ex. : TL081) : ib ∼ 30 pA ; ios ∼ 5 pA.
Dans le cadre d’une mesure physique, ces courants doivent être pris en compte ne serait-ce que pour établir un
calcul d’erreur. Dans la section suivante, on se propose de mettre en évidence leur influence sur la tension de sortie
du montage.
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3.4.2
EC - TP1 - Amplificateur opérationnel
Influence des courants d’entrée et équilibrage des résistances
L’inconvénient majeur des courants d’entrée provient de leur influence sur la tension de sortie. Pour l’illustrer, on
étudie l’amplificateur inverseur auquel on insère une résistance R3 entre la masse et l’entrée non inverseuse :
.
• Calculer la tension de sortie Vs en fonction de la tension d’entrée Ve , des résistances R1 , R2 et R3 et des courants
d’entrée i+ et i− :
.
• Montrer que l’équilibrage des résistances sur les entrées :
R3 =
permet d’annuler le courant de polarisation ib =
.
i+ +i−
2
R1 R2
R1 + R2
:
Equilibrage des résistances :
−
– L’annulation du courant de polarisation ib = i+ +i
peut se faire en équilibrant les résistances des
2
entrées.
– En revanche, l’annulation du courant de décalage ios = |i+ − i− | est impossible, cette inégalité
de courants étant inhérente à la diversité physique des transistors qui structurent l’amplificateur
opérationnel.
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