Introduction
ELE2611 - Circuits Actifs
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Plan pour ce cours
Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC)
Dipˆoles fondamen...
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Principes g´en´eraux
Un circuit ´ele...
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Circuits `a param`etres concentr´es
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Exemple de mod`ele de composant : tr...
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´El´ements/composants des circuits
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Dipˆoles, ports, quadripˆoles
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Lois fondamentales de Kirchhoff (LKC,...
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Lois fondamentales de Kirchhoff (LKC,...
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Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs
Composants passifs statiques
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Composants passifs statiques
R´esistance (lin´eaire)
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Composants passifs statiques
R´esistance (lin´eaire)
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Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs
Composants passifs statiques
Autres composants statiques et pas...
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Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs
Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes
Sourc...
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Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles
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Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles
Imp´edance d’entr´ee et de sortie d’un quadripˆole
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R´esistance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles amplifi...
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Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles
Amplificateurs id´eaux
ZS
ZE Av VE
Amplificateur de tension
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Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles
Amplificateurs id´eaux
ZS
ZE Av VE
Amplificateur de tension
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Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents
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Nous introduisons maintenant un nouveau ...
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Amplificateur op´erationel : mod`ele id´eal (statiqu...
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Circuits ´equivalents pour l’amplificateur op´eratio...
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Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire
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Court-circuit virtuel et m´ethode d’analyse par insp...
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Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire
Suiveur ou Etage tampon de tension (buffer)
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Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire
Suiveur ou Etage tampon de tension (buffer)
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Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire
Note sur la r´etroaction n´egative vs. positive
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Amplificateurs de tension (STCT)
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Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire
M´ethode d’analyse syst´ematique
Utiliser la m´ethod...
Introduction
Conclusion
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Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC)
Dipˆoles fondamen...
Introduction
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Conclusions sur les rappels de notions fondamentales
Vous devez vous remettre rapidement en m´emoi...
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Conclusion
Conclusions sur l’amplificateur op´erationnel
L’A.O. id´eal est mod´elis´e par trois circuits ´equi...
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Quelques r´ef´erences pour approfondir
Amplificateurs op´erationnels :
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ELE2611 Classe 1 - Rappels et montages avec amplificateurs opérationnels

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ELE2611 Classe 1 - Rappels et montages avec amplificateurs opérationnels

  1. 1. Introduction ELE2611 - Circuits Actifs 3 credits, heures/semaine: 4 - 0 - 5 https://moodle.polymtl.ca/course/view.php?id=1756 Cours 1 - Rappels sur les circuits statiques Premiers montages avec l’amplificateur op´erationnel Instructeur: Jerome Le Ny jerome.le-ny@polymtl.ca Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 1/36
  2. 2. Introduction Plan pour ce cours Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Conclusion Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 2/36
  3. 3. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Plan pour ce cours Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Conclusion Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 3/36
  4. 4. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Principes g´en´eraux Un circuit ´electrique est une interconnection d’un ensemble de composants ´electriques. On distingue un circuit physique de ses mod`eles math´ematiques id´ealis´es, qui font l’objet de ce cours. On d´ecrit ces circuits par des relations math´ematiques entre courants et tensions : `a partir de principes fondamentaux : Lois de Kirchhoff en courant (LKC) et en tension (LKT), et de mod`eles des composants, approximatifs, avec diff´erents degr´es de fid´elit´e, obtenus par la physique (`a laquelle on ne s’int´eresse pas ici). On peut avoir plusieurs mod`eles d’un mˆeme composant, suivant les buts ou la pr´ecision recherch´ee, ou les conditions d’utilisation. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 4/36
  5. 5. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Circuits `a param`etres concentr´es Dans ce cours (et dans ELE1600A), on consid`ere des circuits `a param`etres concentr´es (lumped parameter models). Hypoth`ese : longueur d’onde λ = c/f des signaux (courant, tension) longueur caract´eristique du circuit (i.e., fr´equences suffisamment basses). → Composants consid´er´es discrets (dimensions physiques n´eglig´ees). C’est ce qui nous permet d’´ecrire des lois comme LKC, LKT. Quand on ne peut pas faire cette hypoth`ese (plus hautes fr´equences), on doit recourir `a d’autres m´ethodes d’analyse : circuits RF micro-ondes avec f 100 MHz, λ ∼ dimensions du circuit → on doit retourner aux ´equations de Maxwell (mod`eles `a param`etres distribu´es, EDP vs. EDO ici) et faire d’autres approximations en pratique (cf. ELE3500). photonique, o`u λ dimensions du circuit → approximations par lois g´eom´etriques de l’optique. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 5/36
  6. 6. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Exemple de mod`ele de composant : transistor BJT (npn) Constitution d’un transistor bipolaire npn n p n B CE SE ⇒ E B C : n : n : p Remarquez que la surface de la r´egion active, SE, est relativement petite par rapport `a la surface occup´ee par le composant. Valeurs typiques : (1 µm)2 ≤ SE ≤ (100 µm)2 . ELEN075 : Electronique Analogique / Transistor bipolaire 3.4 2. Transistor npn en mode actif normal : courants n ´emetteur E p collecteur C 1 : injection d’e− 5 et 6 : courant de saturation inverse polarisation directe polarisation inverse 2 : recombinaisons 3 : collection d’e− n iCiE iB base B 4 : injection de trous vBE > 0 et vBC < 0. ELEN075 : Electronique Analogique / Transistor bipolaire 3.5 ⇒ Selon la plage de fr´equence des signaux, la technologie de fabrication, la puissance de calcul disponible, la pr´ecision d´esir´ee, etc., on peut repr´esenter/approximer un transistor BJT par des mod`eles comme (mod`eles dynamiques “petit signal”) : gm v1 r0Cbr⇡ v1 + - B E C ou gm v1 r0C⇡ r⇡ v1 + - B C E Ccs rcrb Cµ rµ Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 6/36
  7. 7. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Mod´elisation des composants et analyse des circuits Les mod`eles de composants sont obtenus en ´etudiant leurs principes physiques (ex : propri´et´es des semi-conducteurs), en incluant plus ou moins de d´etails (cf. ELE2305). ELE1600A et ELE2611 s’int´eressent plutˆot `a l’analyse math´ematique des circuits, une fois que les composants physiques on ´et´e mod´elis´es par des relations math´ematiques id´eales (i.e., combinaisons de composants id´eaux : r´esistances, bobines, condensateurs, diodes, etc.). Par exemple, il faudra attendre ELE2310 pour mieux comprendre l’origine des imperfections des amplificateurs op´erationnels, qui viennent des propri´et´es physiques des transistors. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 7/36
  8. 8. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) ´El´ements/composants des circuits Un ´el´ement de circuit, `a 2, 3 ou n terminaux, peut ˆetre un composant simple ou lui-mˆeme un circuit (vu comme boite noire). On fait le choix arbitraire d’une direction de r´ef´erence pour le courant dans chaque terminal (fl`eche), et pour la tension entre chaque pair de terminaux (polarit´es + et −) Ex : i1 = −1 mA signifie qu’un courant de 1 mA va dans la direction oppos´ee `a la direction de r´ef´erence ; v1 = 1V que le potentiel x est 1V plus ´elev´e que le potentiel y. + - v1 i1 i2 1 2 i1 i2 i3 1 2 3 + - - v2 + v1 Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 8/36
  9. 9. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles, ports, quadripˆoles i1 i1 i2 i2 + + - - v1 v2 Port 1 Port 2 i1 i1 i2 i2 + + - - v1 v2 élément à trois terminaux vu comme un quadripôleun quadripôle Dipˆole : ´el´ement `a 2 terminaux. Rappel de la convention r´ecepteur pour le choix des directions de r´ef´erence. Port : paire de terminaux telle que le courant qui entre dans le port est ´egale au courant qui sort. Dipˆole = ´el´ement `a un port car i1 = i2 par LKC. Quadripˆole : ´el´ement `a 2 ports (donc `a 4 terminaux mais de nature sp´eciale). 2 courants suffisent pour d´ecrire un quadripˆole, au lieu de 4. La terminologie anglaise,“two-port”, est plus rigoureuse. Ex : filtre. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 9/36
  10. 10. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Lois fondamentales de Kirchhoff (LKC, LKT) A C B D T E 1 2 3 4 5 e1 e2 e3 e4 e5=0 i2 i1 i3 i4 i5 i6 i7 Pour un circuit donn´e (connect´e), on fixe arbitrairement on point de potentiel nul, et on associe `a chaque noeud un potentiel en. LKT : entre deux noeuds i, j, la tension est vij = ei − ej . Formulation ´equivalente de LKT : la somme alg´ebrique des tensions autour d’une boucle est ´egale `a z´ero. LKC : la somme alg´ebrique des courants entrant dans une surface ferm´ee est z´ero. Ex : i1(t) + i2(t) = 0, . Le cas o`u la surface entoure simplement un noeud est le plus utile : la somme alg´ebrique des courants quittant un noeud est z´ero. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 10/36
  11. 11. Introduction Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Lois fondamentales de Kirchhoff (LKC, LKT) A C B D T E 1 2 3 4 5 e1 e2 e3 e4 e5=0 i2 i1 i3 i4 i5 i6 i7 Pour un circuit donn´e (connect´e), on fixe arbitrairement on point de potentiel nul, et on associe `a chaque noeud un potentiel en. LKT : entre deux noeuds i, j, la tension est vij = ei − ej . Formulation ´equivalente de LKT : la somme alg´ebrique des tensions autour d’une boucle est ´egale `a z´ero. LKC : la somme alg´ebrique des courants entrant dans une surface ferm´ee est z´ero. Ex : i1(t) + i2(t) = 0, i2(t) = i3(t) + i4(t), i4(t) + i5(t) − i7(t) = 0. Le cas o`u la surface entoure simplement un noeud est le plus utile : la somme alg´ebrique des courants quittant un noeud est z´ero. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 10/36
  12. 12. Introduction Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Plan pour ce cours Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Conclusion Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 11/36
  13. 13. Introduction Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques R´esistance (lin´eaire) + - v i i vv i v(t) = R i(t) i(t) = G v(t)convention récepteur Relation lin´eaire = loi d’Ohm. R = r´esistance en Ohms (Ω), G = conductance en Siemens (S). Puissance fournie `a la r´esistance (dissip´ee, convention r´ecepteur) : p(t) = v(t)i(t) = Ri2 (t) = Gv2 (t) ≥ 0, pour tout t Energie fournie `a la r´esistance (dissip´ee) : t2 t1 p(t)dt ≥ 0, pour tout t1, t2 → ´el´ement passif. Formules : r´esistances en s´erie ( Ri ), en parall´ele ( Gi ), diviseur de tension/courant. Cas particuliers : court-circuit (R = ), circuit ouvert (R = ). Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 12/36
  14. 14. Introduction Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques R´esistance (lin´eaire) + - v i i vv i v(t) = R i(t) i(t) = G v(t)convention récepteur Relation lin´eaire = loi d’Ohm. R = r´esistance en Ohms (Ω), G = conductance en Siemens (S). Puissance fournie `a la r´esistance (dissip´ee, convention r´ecepteur) : p(t) = v(t)i(t) = Ri2 (t) = Gv2 (t) ≥ 0, pour tout t Energie fournie `a la r´esistance (dissip´ee) : t2 t1 p(t)dt ≥ 0, pour tout t1, t2 → ´el´ement passif. Formules : r´esistances en s´erie ( Ri ), en parall´ele ( Gi ), diviseur de tension/courant. Cas particuliers : court-circuit (R = 0), circuit ouvert (R = ∞). Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 12/36
  15. 15. Introduction Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Autres composants statiques et passifs D’autres composants ´etablissent une relation statique (vs. dynamique) entre courant et tension : F(v(t), i(t)) = 0 v´erifiee `a tout instant. Caract´eristique courant-tension, que l’on peut tracer dans le plan v − i ou i − v Exemple : R´esistance lin´eaire : v(t) − Ri(t) = 0. Exemple : Diodes. i v + - v i Diode idéale i v i v Diode à jonction pn Diode à effet tunnel Caract´eristique tension-courant d’une diode `a jonction pn, dans les basses fr´equences : i(t) = Is exp v(t) VT − 1 . Pente n´egative de la caract´eristique d’une diode `a effet tunnel utile pour les oscillateurs par exemple. Composant statique et passif : par d´efinition p(t) = v(t)i(t) ≥ 0, ∀t v(t) et i(t) toujours de mˆeme signe (convention r´ecepteur). Caract´eristique tension-courant dans les quadrants 1 et 3. Un composant statique non passif est dit actif : Exemple : r´esistance n´egative v = Ri avec R < 0. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 13/36
  16. 16. Introduction Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Sources ind´ependentes et d´ependantes Les dipˆoles actifs injectent de l’´energie dans le circuit en moyenne au cours du temps. = + = + v i i v i v i - + v v i Source de tension contrôlée en: - tension (STCT), - courant (STCC). - + v i Source de courant contrôlée en: - tension (SCCT), - courant (SCCC). Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 14/36
  17. 17. Introduction Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Plan pour ce cours Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Conclusion Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 15/36
  18. 18. Introduction Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Imp´edance d’entr´ee et de sortie d’un quadripˆole ZL + - IE VE ZG + - VS IS Impédance d'entrée: vue à l'entrée quand la sortie est fermée sur une charge ZL (dépend de ZL en general) Impédance de sortie: vue à la sortie quand l'entrée est fermée sur une charge ZG (dépend de ZG en general) ZS = VS IS ZE = VE IE N.B. : la notion d’imp´edance sera revue au cours 2. Pour l’instant, on peut remplacer “imp´edance” par “r´esistance”. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 16/36
  19. 19. Introduction Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles R´esistance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles amplificateurs ZS ZE Av VE Amplificateur de tension = + + - VE IE ZS ZE Zm IE Amplificateur à transimpédance = + + - VE IE ZE Amplificateur de courant + - VE IE ZS Ai IE ZE Amplificateur à transadmittance + - VE IE ZSYm VE V´erifier que ZE et ZS sont bien les imp´edances d’entr´ee et de sortie de ces quadripˆoles. Dans ce cas, ZE et ZS sont ind´ependantes de l’imp´edance de charge ou du g´en´erateur. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 17/36
  20. 20. Introduction Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateurs id´eaux ZS ZE Av VE Amplificateur de tension = + + - VE ZG = + ZL + - VS VG Facteurs d’att´enuation : VE = VG → ZE = ∞ d´esir´e VS = Av VE → ZS = 0 d´esir´e ZE = ∞, ZS = 0 permettent d’avoir une amplification de tension ind´ependante des imp´edances `a gauche et `a droite. En pratique, il faut ZE ZG , ZS ZL. Imp´edances d’entr´ee et de sortie id´eales : Entr´ee Sortie Type d’amplificateur ZE ZS VE VS Tension ∞ 0 IE IS Courant 0 ∞ VE IS Transadmittance ∞ ∞ IE VS Transimp´edance 0 0 Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 18/36
  21. 21. Introduction Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateurs id´eaux ZS ZE Av VE Amplificateur de tension = + + - VE ZG = + ZL + - VS VG Facteurs d’att´enuation : VE = ZE ZE + ZG VG → ZE = ∞ d´esir´e VS = ZL ZL + ZS Av VE → ZS = 0 d´esir´e ZE = ∞, ZS = 0 permettent d’avoir une amplification de tension ind´ependante des imp´edances `a gauche et `a droite. En pratique, il faut ZE ZG , ZS ZL. Imp´edances d’entr´ee et de sortie id´eales : Entr´ee Sortie Type d’amplificateur ZE ZS VE VS Tension ∞ 0 IE IS Courant 0 ∞ VE IS Transadmittance ∞ ∞ IE VS Transimp´edance 0 0 Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 18/36
  22. 22. Introduction Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Outline Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Conclusion Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 19/36
  23. 23. Introduction Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Motivation Nous introduisons maintenant un nouveau composant, l’amplificateur op´erationnel (ou ampli. op., ou A.O.). Un A.O. amplifie simplement une tension diff´erentielle entre ses deux entr´ees, jusqu’`a saturation du signal de sortie. En raison de son gain d’amplification tr`es grand (> 105 ), il doit g´en´eralement (mais pas toujours) ˆetre utilis´e avec une boucle de r´etroaction n´egative pour ˆetre utile. L’A.O. est un composant ´electronique extrˆement utile pour r´ealiser toutes sortes de fonctions : fonctions math´ematiques ´el´ementaires, filtres, comparateurs, oscillateurs, etc. Nous rencontrerons des montages incluant des A.O. tout au long du cours, que vous devrez savoir analyser rapidement. Vous l’utiliserez aussi de mani`ere intensive d`es le premier laboratoire du cours ELE2000. Dans ELE2611, on utilise l’A.O. comme un boˆıte noire. Vous ´etudierez les ´el´ements n´ecessaires `a sa conception dans ELE2310. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 20/36
  24. 24. Introduction Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Description d’un amplificateur op´erationel URES LOW NOISE: 4.5nV/√Hz at 10kHz SETTLING TIME: 27—550ns to 0.01% 37—450ns to 0.01% VOS: 100µV max DRIFT: 0.8µV/°C max B: 5pA max 27: Unity-Gain Stable 37: Stable in Gain ≥ 5 OPA627 OPA637 CRIPTION 627 and OPA637 Difet operational amplifi- e a new level of performance in a precision mp. When compared to the popular OPA111 e OPA627/637 has lower noise, lower offset nd much higher speed. It is useful in a broad precision and high speed analog circuitry. 627/637 is fabricated on a high-speed, dielec- olated complementary NPN/PNP process. It ver a wide range of power supply voltage— ±18V. Laser-trimmed Difet input circuitry High frequency complementary transistors allow in- creased circuit bandwidth, attaining dynamic perform- ance not possible with previous precision FET op amps. The OPA627 is unity-gain stable. The OPA637 is stable in gains equal to or greater than five. Difet fabrication achieves extremely low input bias currents without compromising input voltage noise performance. Low input bias current is maintained over a wide input common-mode voltage range with unique cascode circuitry. The OPA627/637 is available in plastic DIP, SOIC and metal TO-99 packages. Industrial and military ® Precision High-Speed Difet ® OPERATIONAL AMPLIFIERS APPLICATIONS ● PRECISION INSTRUMENTATION ● FAST DATA ACQUISITION ● DAC OUTPUT AMPLIFIER ● OPTOELECTRONICS ● SONAR, ULTRASOUND ● HIGH-IMPEDANCE SENSOR AMPS ● HIGH-PERFORMANCE AUDIO CIRCUITRY ● ACTIVE FILTERS OPA627 OPA627 The OPA627 and OPA637 Difet operational amplifi- ers provide a new level of performance in a precision FET op amp. When compared to the popular OPA111 op amp, the OPA627/637 has lower noise, lower offset voltage, and much higher speed. It is useful in a broad range of precision and high speed analog circuitry. The OPA627/637 is fabricated on a high-speed, dielec- trically-isolated complementary NPN/PNP process. It operates over a wide range of power supply voltage— ±4.5V to ±18V. Laser-trimmed Difet input circuitry provides high accuracy and low-noise performance comparable with the best bipolar-input op amps. ance not possible with previous precision FET op amps. The OPA627 is unity-gain stable. The OPA637 is stable in gains equal to or greater than five. Difet fabrication achieves extremely low input bias currents without compromising input voltage noise performance. Low input bias current is maintained over a wide input common-mode voltage range with unique cascode circuitry. The OPA627/637 is available in plastic DIP, SOIC and metal TO-99 packages. Industrial and military temperature range models are available. Difet ® , Burr-Brown Corp. Trim 5 Trim 1 +In 3 –In 2 Output 6 7 +VS –VS 4 ©1989 Burr-Brown Corporation PDS-998H Printed in U.S.A. March, 1998 International Airport Industrial Park • Mailing Address: PO Box 11400, Tucson, AZ 85734 • Street Address: 6730 S. Tucson Blvd., Tucson, AZ 85706 • Tel: (520) 746-1111 • Twx: 910-952-1111 Internet: http://www.burr-brown.com/ • FAXLine: (800) 548-6133 (US/Canada Only) • Cable: BBRCORP • Telex: 066-6491 • FAX: (520) 889-1510 • Immediate Product Info: (800) 548-6132 SBOS165 PIN CONFIGURATIONS DIP/SOICTop View Offset Trim –In +In –V No Internal Connection +V Output Offset TrimS S 1 2 3 4 8 7 6 5 Top View TO-99 Offset Trim –In Output Offset Trim+In –VS +VS No Internal Connection Case connected to –VS. 8 1 2 3 4 5 6 7 ABSOLUTE MAXIMUM Supply Voltage ......................... Input Voltage Range ................. Differential Input Range ............ Power Dissipation ..................... Operating Temperature M Package ............................. P, U Package ......................... Storage Temperature M Package ............................. P, U Package ......................... Junction Temperature M Package ............................. P, U Package ......................... Lead Temperature (soldering, 1 SOlC (soldering, 3s) .............. NOTE: (1) Stresses above these ELECTROSTATIC DISCHARGE SENSITIVITY This integrated circuit can be damaged by ESD. Burr-Brown recommends that all integrated circuits be handled with appropriate precautions. Failure to observe proper handling and installation procedures can cause damage. ESD damage can range from subtle performance degrada- tion to complete device failure. Precision integrated circuits may be more susceptible to damage because very small parametric changes could cause the device not to meet its published specifications. PACKAGE/ORDERING PRODUCT PACKAGE OPA627AP Plastic DIP OPA627BP Plastic DIP OPA627AU SOIC OPA627AM TO-99 Metal OPA627BM TO-99 Metal OPA627SM TO-99 Metal OPA637AP Plastic DIP OPA637BP Plastic DIP OPA637AU SOIC OPA637AM TO-99 Metal OPA637BM TO-99 Metal OPA637SM TO-99 Metal NOTE: (1) For detailed drawing a sheet, or Appendix C of Burr-Brow 5 terminaux essentiels pour le composant : −In, +In, Out, et ±Vs (tension continue de polarisation) Alimentation habituellement omise pour clarifier Apr`es alimentation/polarisation dans la configuration standard, on obtient un composant `a 4 terminaux, dont l’un est reli´e `a la terre - + +Vs -Vs v+ v vo Les 3 terminaux restants sont : entr´ee inverseuse (i−, v−), entr´ee non inverseuse (i+, v+), sortie (io, vo). Les voltages v+, v−, vo sont mesur´es par rapport `a la terre. N.B. : Le terminal reli´e `a la terre est aussi souvent omis, mais attention alors avec LKC : on n’a pas i− + i+ + io = 0. 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  25. 25. Introduction Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Mod`ele statique de l’amplificateur op´erationel - + v v+ i+ = IB+ i = IB io vo + - vd +Vsat Vsat ✏ ✏ Région linéaire pente A (ex: ~105) vd (mV) vo (V) 0.1- 0.1 13 - 13 caractéristique typique vd = v+ − v− est la diff´erence d’entr´ee. A fr´equences pas trop ´elev´ees, un ampli op se comporte approximativement selon le mod`ele suivant (quel que soit io) : i− = IB− , i+ = IB+ , vo = f (vd ). IB− , IB+ : courants de polarisation (< 0.1mA pour BJT → nA pour FET). f (vd ) est la caract´eristique entr´ee sortie : f (vd ) =    Avd dans le domaine lin´eaire − < vd < , A = gain en boucle ouverte ∼ 105 ou plus, ≈ 0.1mV . ∼ ±Vsat dans la zone de saturation |vd | ≥ , Vsat ≈ Vsupply − 1V ou 2V . Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 22/36
  26. 26. Introduction Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Amplificateur op´erationel : mod`ele id´eal (statique) - + v v+ i+ = 0 i = 0 vo + - vd +Vsat Vsat Région linéaire vd = v+ v Entrée inverseuse Entrée non inverseuse région "+ Saturation" 1 vo = f(vd) région "- Saturation" Le mod`ele pr´ec´edent est id´ealis´e pour la conception et les premi`eres analyses de circuits. Hypoth`eses simplificatrices : IB− = IB+ = = 0, A = ∞. Caract´eristique entr´ee-sortie lin´eaire par morceaux, avec 3 r´egions. Equations de l’A.O. id´eal : i+ = i− = 0, et vo = Vsat × sign(vd ), si vd = 0 : r´egions +Saturation et -Saturation − Vsat < vo < vsat , si vd = 0 : r´egion lin´eaire Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 23/36
  27. 27. Introduction Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Circuits ´equivalents pour l’amplificateur op´erationel id´eal 3 circuits equivalents : - + i+ = 0 i = 0 + - vd = 0 1 + - o Région linéaire Vsat < vo < Vsat i = 0- i+ = 0+ vd > 0 + - Vsat o i = 0- i+ = 0+ + - Vsat o vd < 0 Région +Saturation Région -Saturation v+ v > 0 v+ v < 0Condition de validité: Mod`ele tr`es pratique pour le design et les calculs `a la main. On discutera au cours 6 l’impact des non-id´ealit´es (ex : gain et bande passante < ∞). Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 24/36
  28. 28. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Outline Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Conclusion Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 25/36
  29. 29. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Court-circuit virtuel et m´ethode d’analyse par inspection La plupart des circuits utilisent l’A.O. seulement dans la r´egion lin´eaire (ex : filtres). Dans cette r´egion, i− = i+ = v+ − v− = 0 pour l’A.O. id´eal : comme un court circuit entre les entr´ees de l’A.O., mais sans courant passant dedans : mod`ele du “court-circuit virtuel”. Avec ce mod`ele, on peut normalement analyser les circuits rapidement en utilisant la loi des noeuds et les contraintes ci-dessus. Attention : il faut en principe toujours v´erifier (`a post´eriori) que la condition de validit´e −Vsat < vo < Vsat est satisfaite ! Si elle n’est pas satisfaite dans un certain interval [t1, t2], alors la solution supposant le r´egime lin´eaire n’est pas correcte dans cet interval et on doit utiliser les m´ethodes d’analyse pour l’A.O. en mode satur´e (cf. cours 8-9). Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 26/36
  30. 30. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Suiveur ou Etage tampon de tension (buffer) - + + - vo vin iin = i+ = 0 i = 0 1 + - vin + - = +vin + - vo iin = 0 vo = vin, pour . R´esistance d’entr´ee infinie (i.e., tr`es grande), iin = 0. R´esistance de sortie nulle. Tension de sortie copie la tension d’entr´ee, quelle que soit la charge : source de tension contrˆol´ee en tension (STCT). → tr`es utile pour isoler les ´etages d’un circuit. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 27/36
  31. 31. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Suiveur ou Etage tampon de tension (buffer) - + + - vo vin iin = i+ = 0 i = 0 1 + - vin + - = +vin + - vo iin = 0 vo = vin, pour − Vsat < vin < Vsat. R´esistance d’entr´ee infinie (i.e., tr`es grande), iin = 0. R´esistance de sortie nulle. Tension de sortie copie la tension d’entr´ee, quelle que soit la charge : source de tension contrˆol´ee en tension (STCT). → tr`es utile pour isoler les ´etages d’un circuit. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 27/36
  32. 32. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Note sur la r´etroaction n´egative vs. positive - + vin iin = i+ = 0 i = 0 1 + - + - vo vin + - + - vo - + vo vinVsat Vsat Vsat Vsat 1 vo vinVsat Vsat Vsat 1 Vsat iin = i = 0 i+ = 0 Supposant le r´egime lin´eaire, on a dans les deux vas vd = 0 ⇒ vo = vin. Conditions de validit´e ? Par ex. pour la r´egion +Sat de la r´etro. positive : 0 < vd = v+ − v− = vo − v− = Vsat − v−, i.e., v− = vin < Vsat Pour la r´etro. pos., il y a 3 vo possibles si −Vsat < vin < Vsat En fait, pour le montage 2 la solution vo = vin est instable, et la tension de sortie sature quasi-instantan´ement soit `a +Vsat, soit `a −Vsat. Pas un suiveur, mais une bascule ! (cf. cours 8 pour plus de d´etails) Intuition : avec vo = A(v+ − v−) et A tr`es grand, suivre la propagation d’une petite variation de tension, par ex. vo, autour de la boucle Un A.O. fonctionnant en r´egime lin´eaire `a un feedback sur son entr´ee inverseuse. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 28/36
  33. 33. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Amplificateurs de tension (STCT) - + vin 1+ - + - vo i = 0 i+ = 0 i1 + -vf v1+ - R1 Rf vd = 0 + -vin t t vo if Amplificateur inverseur vin = v1 − vd = v1 = R1i1 i1 = if + i− = if = vf Rf vo = −vf = −Rf i1 vo = − Rf R1 vin Validit´e : −R1 Rf vsat < vin < R1 Rf vsat - + vin 1 + - + - vo i = 0 i+ = 0 i1 - +vf v1 + - R1 Rf vd = 0 + - vin t t vo if Amplificateur non inverseur cas R1 = ∞, Rf = 0? Validit´e : − R1 R1 + Rf vsat < vin < R1 R1 + Rf vsat Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 29/36
  34. 34. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Amplificateurs de tension (STCT) - + vin 1+ - + - vo i = 0 i+ = 0 i1 + -vf v1+ - R1 Rf vd = 0 + -vin t t vo if Amplificateur inverseur vin = v1 − vd = v1 = R1i1 i1 = if + i− = if = vf Rf vo = −vf = −Rf i1 vo = − Rf R1 vin Validit´e : −R1 Rf vsat < vin < R1 Rf vsat - + vin 1 + - + - vo i = 0 i+ = 0 i1 - +vf v1 + - R1 Rf vd = 0 + - vin t t vo if Amplificateur non inverseur vo = 1 + Rf R1 vin cas R1 = ∞, Rf = 0? Validit´e : − R1 R1 + Rf vsat < vin < R1 R1 + Rf vsat Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 29/36
  35. 35. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Sommateur Inverseur - + = + = + = +v1 v2 v3 R1 R2 R3 RF vo (0 V) i1 i2 i3 iF G´en´eralisable `a n entr´ees. Application dans toutes sortes de syst`emes pour r´ealiser une combinaison lin´eaire de signaux (audio, commande, . . . ). R´esistance d’entr´ee Ri `a l’entr´ee i. R´esistance de sortie = 0. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 30/36
  36. 36. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Sommateur Inverseur - + = + = + = +v1 v2 v3 R1 R2 R3 RF vo (0 V) i1 i2 i3 iF i1 + i2 + i3 = iF ⇔ v1 R1 + v2 R2 + v3 R3 = − vo RF v0 = − RF R1 v1 − RF R2 v2 − RF R3 v3 G´en´eralisable `a n entr´ees. Application dans toutes sortes de syst`emes pour r´ealiser une combinaison lin´eaire de signaux (audio, commande, . . . ). R´esistance d’entr´ee Ri `a l’entr´ee i. R´esistance de sortie = 0. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 30/36
  37. 37. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Amplificateur diff´erentiel - + = + = + R2R1 R3 R4 v1 v2 vo Montrez que vo = R2 R1 1 + R1/R2 1 + R3/R4 v2 − v1 . Proportionnel `a la diff´erence v2 − v1 pour R1 R2 = R3 R4 . Application : [amplificateurs de mesure] Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 31/36
  38. 38. Introduction Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire M´ethode d’analyse syst´ematique Utiliser la m´ethode des noeuds, avec les relations vd = 0, i− = i+ = 0. Evaluer la r´egion de validit´e o`u l’A.O. op`ere bien en mode lin´eaire, en fonction des valeurs contrˆol´ees. Attention : i0 = 0 : normalement on peut omettre d’´ecrire la loi des noeuds `a la sortie de l’A.O. si la valeur de ce courant n’est pas recherch´ee. Attention : la connection entre A.O. polaris´e et terre (souvent omise) est travers´ee par un courant. D’habitude, on n’´ecrit pas la loi des noeuds `a la terre. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 32/36
  39. 39. Introduction Conclusion Outline Mod´elisation des circuits ´electriques et lois fondamentales (LKT, LKC) Dipˆoles fondamentaux des circuits r´esistifs Composants passifs statiques Composants actifs : source ind´ependentes et d´ependantes Imp´edance d’entr´ee et de sortie des quadripˆoles Amplificateur op´erationnel id´eal : circuits ´equivalents Quelques montages avec l’A.O. op´erant en mode lin´eaire Conclusion Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 33/36
  40. 40. Introduction Conclusion Conclusions sur les rappels de notions fondamentales Vous devez vous remettre rapidement en m´emoire les notions introduites dans ELE1600A, qui sont suppos´ees acquises. Vous allez les utiliser imm´ediatement de mani`ere intensive, dans ELE2611 et dans ELE2000. Prochain cours : Brefs pointeurs pour vos r´evisions de ELE1600A sur les circuits dynamiques lin´eaires, en particulier la r´eponse fr´equentielle (fonctions de transfert, r´egime permanent sinuso¨ıdal, diagrammes de Bode, r´esonance). Quelques compl´ements (`a la limite du rappel) : notion de phaseur, imp´edance complexe, identification d’une fonction de transfert `a partir (des asymptotes) d’un diagramme de Bode. Exemples de circuits dynamiques avec A.O. Nous commencerons ensuite une s´erie de cours sur la r´ealisation de filtres analogiques, `a la fois actifs (utilisant les A.O.), mais aussi passifs (R, L, C). Cette partie repose sur la maˆıtrise de la notion de fonction de transfert et de r´eponse fr´equentielle d’un circuit. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 34/36
  41. 41. Introduction Conclusion Conclusions sur l’amplificateur op´erationnel L’A.O. id´eal est mod´elis´e par trois circuits ´equivalents, avec des conditions de validit´e associ´ees. La plupart des circuits n’utilisent que le mode lin´eaire, mais nous verrons aussi plus tard des montages utilisant l’A.O. en mode satur´e (oscillateurs par exemple). M´ethodes d’analyse syst´ematique par la loi des noeuds. Utilisable de la mˆeme fa¸con dans les r´egions +Sat et -Sat (en fait, plus facile dans ces r´egions car l’A.O. est simplement une batterie). Nous avons vu quelques montages de base : bien d’autres sont utiles ! Faire des exercices dans Svoboda et Dorf, chapitre 6. Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 35/36
  42. 42. Introduction Conclusion Quelques r´ef´erences pour approfondir Amplificateurs op´erationnels : J. A. Svoboda et R. C. Dorf, “Introduction to Electric Circuits”, 9`eme ´edition, chapitre 6. S. Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, 3`eme ´edition, chapitres 1 et 2. Lien: [page Wikipedia sur l’A.O.] Lien: [page Wikipedia sur les montages de base avec l’A.O.] Version du 20 juin 2014 ELE2611 - Circuits Actifs - c Le Ny, J. 36/36

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