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Chap 5 amplificateur opérationnel

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Chap 5 amplificateur opérationnel

  1. 1. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 1 Chapitre 5 I. AMPLIFICATION I.1. Introduction Un signal électrique provenant d’une antenne de radio ou de TV ou d’une tête de lecteur d’un magnétophone ou d’un d’un microphone est souvent « faible ». Pour le rendre exploitable, il faut l’amplifier. On utilise alors un amplificateur. I.2. Schéma général d’un amplificateur L’amplificateur peut être représenté par un quadripôle à l’entrée duquel on applique un signal de faible amplitude, on recueille à la sortie un signal d’amplitude plus grande et de même allure. Amplificateur Vs(t)Ve(t) Figure 1. Schéma d’un amplificateur. I.3. But de l’amplification On suppose que le signal à amplifier est une grandeur sinusoïdale de la forme : e t E wtM( ) .sin( )EM: l’amplitude du signal (faible). Le but de l’amplification est alors d’obtenir un signal sinusoïdal de même allure que celui de l’entrée mais d’amplitude plus grande. Ce signal sera de la forme : s t S wtM( ) .sin( )   Remarque considéré précédemment peut être un courant ou unee t( )Le signal tension. Mais souvent le but d’une amplification est d’amplifier non seulement une de ces grandeurs mais d’amplifier une puissance. , l’utilisation d’un organe deP P2 1Pour obtenir une puissance puissance auxiliaire est indispensable, qui est en général une source de tension continue.
  2. 2. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 2 C’est ainsi que la configuration d’un amplificateur de puissance est schématisé. AmplificateurV1 = e I1 V2 = s I2 E -+ Charge Figure 2. Configuration d’un amplificateur de puissance. I.4. Grandeur caractéristique d’un amplificateur Les principales grandeurs caractéristiques d’un amplificateur linéaire définies en régime sinusoïdal permanent sont : ;Zs; l’impédance de sortieZe* L’impédance d’entrée ;Ai; le gain en courantAv* le gain en tension .BP* la bande passante II. AMPLIFICATEUR IDEAL Un amplificateur idéal est un quadripôle dont le courant à l’entrée est nul ( . Par contreZe  ), par conséquent son impédance d’entrée est infinie (i1 0 ) .Zs  0)celle de sortie est nulle ( V1 I1 V2 I2 Zc Zs A0 .V1 Ze + - Figure 3. Amplificateur idéal de tension.
  3. 3. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 3 III. AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL (AOP) III.1. Brochage d’un amplificateur opérationnel Comme le montre la figure suivante, un amplificateur opérationnel est un circuit intégré à plusieurs broches ( généralement 8). Deux bornes constituent l’entrée, une la sortie, deux autres sont réservées pour la polarisation; deux bornes constituent les bornes d’offset, la dernière borne est non connectée (NC). 1 2 3 4 5678 - + NC +Vcc -Vcc Figure 4. Brochage d’un amplificateur opérationnel (LM 741). Les bornes d’offset ( broches 1 et 5 ) servent à équilibrer l’amplificateur ), onV1 0opérationnel, en cas où il n’y a pas de signal appliqué à l’entrée ( doit agir sur une tension appliquée aux bornes de l’offset par l’intermédiaire d’un potentiomètre de telle manière à obtenir une tension nulle à la sortie. III.2. Symbole et caractéristique d’un AOP III.2.1. Symbole Le symbole couramment utilisé pour représenter un amplificateur opérationnel est le suivant : - + Vs Ve1  Ve 2 Figure 5. Symbole d’un amplificateur opérationnel V A A V Vs v v e e  . .( ) 1 2
  4. 4. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 4 III.2.2. Caractéristique d’un amplificateur opérationnel Pour pouvoir exploiter la notice technique du constructeur de l’amplificateur opérationnel, il est important de connaître la définition de chacune de ses caractéristiques. III.2.2.1. Gain en tension . LesAvIl est encore appelé gain en boucle ouverte .6et 104gain en tension sont comprises entre 10valeurs courantes de ce III.2.2.2. Gain en mode commun sur les deux entréeseSi on applique la même tension V s= 0. Mais, en pratique, Vsde l’amplificateur, on doit obtenir normalement : V n’est pas nulle. On définit alors le gain en mode commun dont les valeurs sont inférieures à 1 par : A V V mc s e  III.2.2.3. Taux de réjection en mode commun Ce taux exprime l’amplitude de l’amplificateur, c’est ; on le désigneAmcen tension par le gain en mode communle rapport du gain par : TRMC A A v mc  En se référant à la figure 5, on a : V A A V V A V V A V V TRMC V V s v v e e mc e e v e e e e          . .( ) .[( ) ]  1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 Pour atténuer l’effet de la valeur moyenne des deux tensions d’entrée et pour négliger l’effet du gain en mode commun., Le TRMC doit être le plus grand possible. En pratique, le TRMC varie de 70 à 100 dB. III.2.2.4. Impédance d’entrée C’est l’impédance vue sur une entrée quand l’autre est à la masse. En pratique, la valeur de cette impédance peut aller au delà de 10 M. III.2.2.5. Impédance de sortie
  5. 5. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 5 C’est l’impédance vue sur la sortie quand les deux entrées sont court-circuitées. Pour un amplificateur opérationnel en circuit intégré, l’impédance de sortie est généralement de l’ordre de 10  à 100 . III.2.2.6. Vitesse de balayage : Slew rate Un amplificateur opérationnel amplifie correctement et sans distorsion un signal à condition que la vitesse de variation en sortie ne dépasse pas une valeur limite appelée vitesse de balayage ou slew rate de l’amplificateur. Cette vitesse dépend des conditions d’emploi et particulièrement du gain obtenu en boucle fermée. Il est de l’ordre du V / s. III.2.2.7. Bande passante L’amplificateur opérationnel se comporte comme un filtre passe bas de gain élevé. Ce gain en boucle ouverte n’est constant que pour les fréquences ne dépassant pas quelques dizaines de Hz. On définit d’une part la fréquence de coupure correspondant à un gain de - 3 dB et d’autre part la correspondant à un gain égal à 1 ( 0 dB ).f Tfréquence de transition III.2.2.8. Saturation Tout amplificateur est polarisé par une ou deux sources de tension dont on ne peut jamais dépasser à sa sortie. c’est ainsi que la est saturée.V f Vs e ( )caractéristique Vs Ve Vcc -Vcc M Exemple alimenté parAv  105 Pour un amplificateur opérationnel de gain E =  15 V, la tension d’entrée maximale admissible pour que l’amplificateur fonctionne en régime linéaire est :  M v E A mV  015. Remarque
  6. 6. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 6 Pour un amplificateur opérationnel idéal, le gain en tension, le taux de réjection en mode commun, l’impédance d’entrée et la bande passante sont infinis, par contre l’impédance de sortie, les dérives de tension et de courant sont nulles. IV. OPERATIONS ANALOGIQUES L’appellation d’un amplificateur opérationnel se justifie par le fait qu’à l’aide de celui-ci on peut concevoir des circuits capables d’effectuer des opérations mathématiques. Il s’agit du changement de signe, de la multiplication par une constante, de l’addition, de l’intégration et de la dérivation... IV.1. Montage de base - + Vs Ve I I Z1 (p) Z2 (p) V p Z p I V p Z p I V p V p Z p Z p e s s e ( ) ( ). ( ) ( ). ( ) ( ) ( ) ( )          1 2 2 1 Soit : V p Z p Z p V ps e( ) ( ) ( ) . ( )  2 1 IV.2. Inversion V p V ps e( ) ( ) , on a alors :Z p Z p1 2( ) ( )Si IV.3. Multiplication par une constante Si Z p R Z p R1 1 2 2( ) , ( )  , en posant k R R  2 1 on a: V p k V ps e( ) . ( )  IV.4. Intégration
  7. 7. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 7 Si Z p R Z p Cp 1 2 1 ( ) , ( )  on a: V p RCp V ps e( ) . ( )  1 En retournant à l’originale, on a : V t RC V t dts e t ( ) ( )   1 0 - + Vs Ve I I R C C’est un intégrateur inverseur. Si on associe à ce montage un amplificateur inverseur de gain (-1), on obtient un intégrateur non inverseur. IV.5. Dérivation Si Z p R Z p Cp 2 1 1 ( ) , ( )  on a: V p RCp V ps e( ) . ( )  En régime temporel, on a : V t RC dV t dt s e ( ) . ( )  
  8. 8. Electronique __________________________________________________________________________________ Les amplificateurs opérationnels 8 - + Vs Ve I I R C IV.6. Sommation IV.6.1. Sommateur non inverseur VsConsidérons le montage de la figure suivante et calculons .V et V1 2,R R1 2,,R R3 4,en fonction de

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