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Décembre 2006 FONCTIONS DE L'ELECTRONIQUE AOP TGE LYCEE DU MT BLANC PHYSIQUE AP

Décembre 2006 FONCTIONS DE L'ELECTRONIQUE AOP TGE LYCEE DU MT BLANC PHYSIQUE APPLIQUEE 1/5 I- Rappels A.I.L. 1-1 Symbole, dénomination Amplificateur Intégré Linéaire (ALI en Anglais). e- - > ∞ e- - Amplificateur différentiel intégré. S S Amplificateur opérationnel. e+ + e+ + 1-2 Brochage (boîtiers 8 broches, AOP Types 741,081…) NC +VCC S offset2 VCC : alimentation continue symétrique dont le 0 mis à la masse est ref. Des potentiels des montages réalisés 8 7 6 5 NC: non connecté e+ : entrée non inverseuse e- : entrée inverseuse 1 2 3 4 S : sortie offset1 e- e+ -VCC Dans tous les montages, par la suite, l'alimentation +Vcc et -Vcc est implicite. 1-3 caractéristique de transfert de l'AIL Vs +Vsat - > ∞ Vd -ε0 +ε0 Vd + Vs -Vsat Vs = Ad.Vd→Ad: amplification différentielle en boucle ouverte |Vsat| ≤ ≤ ≤ ≤ |Vcc| (dans les exercices on prendra Vsat ≈ ≈ ≈ ≈ Vcc) On observe 2 domaines: -saturation pour Vd > ε0 et Vd < -ε0 -domaine linéaire pour -ε0 <Vd < +ε0 1-4 Modèle équivalent 1-4a AIL réel Ad >105 e+ Re > 1 MΩ Vd i+ Re Rs Vs Rs < 100 Ω e- Vso=Ad.Vd i+ et i- < 10-9 A -i 1-4b AIL idéal (AOP) Vs Amplificateur Opérationnel Parfait +Vsat Re→ ∞ donc i+ ≈ i- ≈ 0 e- Rs ≈ 0 Vd Vso Ad → ∞ donc ε0 ≈ 0 et lorsque Vd > 0 ,Vs = +Vsat -Vsat e+ lorsque Vd < 0 , Vs = -Vsat Décembre 2006 FONCTIONS DE L'ELECTRONIQUE AOP TGE LYCEE DU MT BLANC PHYSIQUE APPLIQUEE 2/5 II- AOP en boucle ouverte- comparateurs 1 seuil 2-1 Montages On se sert d'un GBF pour la tension variable (signal triangulaire ou sinusoïdal) On peut réaliser 2 montages avec 0 comme tension de référence (seuil): _ _ > ∞ Ve > ∞ + GBF + GBF Vs Vs Ve On peut aussi changer la tension seuil avec un générateur de tension continue _ > ∞ Vref Vs + Ve GBF 2-2 Oscillogrammes (Y1 et Y2 : 4V/carreau) Montage e- à la masse Montage e+ à la masse Montage e- au potentiel Vref = 6V Lorsqu'il est en boucle ouverte, l'ampli opérationnel ne peut pas fonctionner en régime linéaire. ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Il fonctionne en commutation, en comparateur (1 seuil). On observe que Vs = Dans le montage e- = 0, Ve>0 ⇒ Vs = Ve<0 ⇒ Vs = Dans le montage e+ = 0 Ve>0 ⇒ Vs = c'est l'inverse Ve<0 ⇒ Vs = Dans le montage e- = Vref, même fonctionnement mais Vs bascule pour Ve =………: Ve……. ……..⇒ Vs = +Vsat Ve……………⇒ Vs = -Vsat On pourrait "inverser" le fonctionnement en reliant Vref à e+ . On appelle ces montages "comparateurs" (1 seuil) Dans les 3 cas, régler le GBF de sorte qu’il délivre une tension (Ve) sinus (ou triangle) d’amplitude 10V environ à une fréquence comprise entre 100 Hz et 10 kHz. Relever Vs(t) et Ve(t) On peut aussi observer le fonctionnement pour des fréquences plus importantes. Décembre 2006 FONCTIONS DE L'ELECTRONIQUE AOP TGE LYCEE DU MT BLANC PHYSIQUE APPLIQUEE 3/5 III- Réaction positive- comparateur à 2 seuils (Ce type de montage est aussi appelé Trigger de Schmidt, vous l'avez utilisé en ESTI) 3-1 Montage inverseur _ > ∞ Ve + Vs R1 R2 3-2 Etude expérimentale On étudie comment réagit Vs aux variations de Ve en se limitant à un spectre de fréquence "raisonnable". ( On peut chercher l'ordre de grandeur des fréquences à partir desquelles, le fonctionnement n'est plus le même et de quelle façon) On observe que le fonctionnement n'est pas linéaire. Réaction positive ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ fonctionnement en commutation. Vs passe en saturation "positive" lorsque Ve passe une valeur Veb en diminuant ; ici, Veb = … Vs passe en saturation négative lorsque Ve passe une valeur différente Veh en augmentant ; ici, Veh = ….. On parle dans ce cas d'hystérésis; le seuil n'est pas le même lorsque Ve augmente ou diminue. Les applications (pour les capteurs notamment) sont étudiées en ESTI. 3-3 Etude théorique. Voir exercices. D’autres montages fonctionnent de façon analogue : -R1 reliée non pas à la masse mais à une tension de référence -R1 reliée à Ve et e- reliée à une tension de ref.→ montage non inverseur. schémas correspondants: A gauche, Ve(t) et Vs(t) A droite, Vs(Ve) en mode XY On choisit R1= R2 = 1kΩ . On garde le même réglage de GBF que précédemment pour Ve(t) et on relève Ve(t) et Vs(t) puis Ve en fonction de Vs. Décembre 2006 FONCTIONS DE L'ELECTRONIQUE AOP TGE LYCEE DU MT BLANC PHYSIQUE APPLIQUEE 4/5 IV- Réaction négative- les montages amplificateurs On réalise une liaison, appelée réaction ou contre-réaction, entre la sortie et l’entrée « - ». 4-1a montages Amplificateur inverseur Amplificateur non inverseur i2 R2 i2 R2 _ _ i1 R1 > ∞ is i1 R1 > ∞ is Ve + + Vs Ve Vs 4-1b oscillogrammes(R1=500Ω et R2=1000Ω) On observe que Ve Vs = 1 2 R R − − − − On observe que Ve Vs = 1 2 1 R R + + + + Si Ve est telle que Vs > Vsat ou Vs < -Vsat, l'AOP "sature" et le signal est déformé. Vs ne dépasse ni +Vsat ni - Vsat (phénomène d'écrêtage) Si la fréquence dépasse une certaine limite (dépend du composant), le signal est déformé. 4-1c étude théorique Si Vs est compris entre -Vsat et + Vsat, l'AOP "travaille" en régime linéaire. On a vu que dans ce cas; e+ = e- → Vd = 0 i+ = i- = 0 Dans le cas "amplificateur inverseur", Dans le cas "amplificateur non inverseur" Vd = 0 ⇒ e- = 0 Vd = 0 ⇒ e- = Ve On peut donc écrire que i1 = On peut donc écrire i1 = i2 = i2 = i+ = i- = 0 ⇒ i1 = i2 donc i+ = i- = 0 ⇒ i1 = i2 donc Soit Soit Tout ceci correspond à ce qui a été vu en TP de 1ére 4-1d Conclusions Avec une réaction sur l'entrée - , -le fonctionnement est stable dans le domaine de linéarité (-Vsat < Vs < + Vsat) -l'amplification du montage ne correspond plus à Ad mais dépend du montage -dans le domaine de linéarité, Vd est négligeable devant les autres tensions (pour l'AOP, on écrira Vd=0) Remarque:Le domaine de linéarité dépend aussi de l'intensité de sortie is ; si is est trop importante ( ≈ 20mA pour AOP type 081) on observe un phénomène d'écrêtage pour une valeur inférieure à |Vsat|. Décembre 2006 FONCTIONS DE L'ELECTRONIQUE AOP TGE LYCEE DU MT BLANC PHYSIQUE APPLIQUEE 5/5 4-2 Amplification de différence 4-2a Montage R4 _ R1 > ∞ V1 R2 + V2 R3 Vs 4-2b Etude théorique La réaction est négative, on se place dans le cas du fonctionnement linéaire (pas de saturation) ⇒ Vd=0 En notant V+ la tension entre e+ et la masse et V- la tension entre e- et la masse, V+ = V- V- s'obtient par le théorème de superposition V- = V-'(en "éteignant V1) + V-''(en éteignant Vs) V1"éteint" → V-' = Vs"éteint" → V-'' = D'où V- = et V+ = (diviseur de tension) V- = V+ ⇒ Si on s'arrange pour que 1 ). 3 2 ( 3 ). 4 1 ( R R R R R R + + = 1 4 R R soit R3.R1=R2.R4 alors Vs = 1 4 R R (V2 - V1) On utilise ce type de montage pour "transmettre" la tension de déséquilibre d'un pont de Wheatstone par exemple, pour visualiser 2 tensions n'ayant pas une masse commune à l'oscillo., en comparateur dans les systèmes bouclés (régulation), etc… V Association de fonctions On peut associer de façons multiples tous les montages précédents → voir exercices uploads/Litterature/ aop-2.pdf