Rétroaction d un amplificateur linéaire intégré

Transcription

1 Électronique Chapitre 2 étroaction d un amplificateur linéaire intégré Introduction : L Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) aussi appelé Amplificateur Opérationnel (AO) est un amplificateur électronique différentiel. Fabriqué par John.agazzini en 1947 Utilisé à partir des années 60 Permet d effectuer des opérations analogiques linéaires : addition, soustraction, intégration, dérivation. Très utile en traitement du signal! Formé de transistors Coûte quelques centimes d euros C est un composant actif : permet de créer des filtres analogiques actifs avec possibilité d association en cascade Encore bien utilisé malgré l apparition du numérique : Amplification de signaux issus d un capteur Asservissement en automatique (PID) Oscillateurs électroniques Commande d un moteur I) Présentation de l ALI 1) Description du circuit Circuit intégré actif : il doit être alimenté (15V/15V) pour fonctionner. 8 pattes (câblage en TP) Le composant :

2 Le schéma de câblage Seules 3 pattes sont représentées i V i V Vs eprésentation de L ALI 2) Caractéristique de transfert L Amplificateur Linéaire Intégré est un amplificateur différentiel. On pose ε = V V Caractéristique de transfert de l ALI vs v SAT 3 O 2 ε 1 v SAT V sat est légèrement inférieur à la tension d alimentation : de l ordre de 14V pour les AO utilisés en TP.

3 On distingue 3 zones sur le tracé et 2 régimes de fonctionnement Le régime saturé : Zones 1 et 3. Dans la zone 1 la tension de tension reste égale à v SAT Dans la zone 3 la tension de tension reste égale à v SAT Le régime linéaire : zone 2 On a une relation du type vs 0 μ 0 est le gain statique différentiel. Il est de l ordre de 10 5 emarque : Saturation en intensité aussi 3) ALI idéal Le gain différentiel statique est très important. Une légère différence entre les entrées fera saturer la sortie. On simplifie la caractéristique précédente. Caractéristique de transfert idéalisé vs v SAT 3 O 2 ε 1 v SAT On retrouve les 3 zones précédentes égime saturé : si ε<0 v S = V SAT zone 1 si ε>0 v S = V SAT zone 3 égime linéaire : zone 2 Obtenu pour ε=0 soit v =v Le gain différentiel statique est infini

4 eprésentation de l ALI idéal V i i V V s eprésentation de L ALI idéal 4) Impédances d entrées et de sortie Impédances d entrée : Les courants d entrée i et i sont de l ordre de A! On considérera donc qu ils sont nuls : i i 0 Les impédances d entrée seront donc infinies. Impédance de sortie : La valeur de la tension de sortie v S est indépendante du courant de sortie i S. La sortie de l ALI est donc assimilable à une source idéale de tension. L impédance de sortie de l ALI est nulle. La tension de sortie v S sera donc indépendante de ce qui est branché à la sortie de l ALI. II) Principe de rétroaction 1) Exemple de montage amplificateur : l amplificateur non inverseur On insère l ALI dans le montage suivant GBF ve 2 vs 1

5 On considère dans un premier temps l ALI comme étant idéal et fonctionnant en régime linéaire. On montre que le système réalise une amplification de tension de coefficient G=1 2 / 1 Saturation : La tension de sortie doit rester comprise entre v SAT et v SAT Il faut donc que : 1 1 VSAT ve VSAT On en déduit la caractéristique de l opérateur : vs v SAT O ve v SAT Validation du modèle de l ALI idéal On calcule l erreur commise dans le cas de l ALI idéal en régime linéaire dans le montage amplificateur non inverseur. 2) Schéma fonctionnel de l amplificateur non inverseur 1 On pose B et on obtient le schéma bloc ou schéma fonctionnel suivant : G v e ε μ 0 v s B

6 étroaction. Chaine directe Chaine de retour Actionneur Influence sur la sortie des fluctuations des grandeurs du système : Variation du gain de l actionneur : Une structure en chaine bouclée permet de s affranchir des défauts de l actionneur. Le gain de l opérateur est quasi insensible aux propriétés du circuit intégré. Fluctuations sur la chaine de retour : On retrouve les fluctuations de la chaine de retour sur la sortie. Ses performances doivent être supérieures à celles de l actionneur. 3) Application à la réalisation de fonction linéaire Amplificateur inverseur Intégrateur et dérivateur Sommateur et soustracteur s e2 e1 s e1 e2 Montage suiveur III) Prise en compte de la bande passante 1) éponse fréquentielle de l ALI Comme tous les circuits électroniques, l ALI est limité en fréquence. Le coefficient d amplification dépend de la fréquence de travail. On considère que l ALI en régime linéaire se comporte comme un filtre passe bas d ordre 1. Sa fonction de transfert peut donc s écrire :

7 Avec : 0 (j ) 1 j le gain différentiel statique de l ALI la pulsation de coupure de l ALI 2 ALI 10 rad / s ALI On peut retrouver l équation différentielle associée dvs ALI vs 0 dt 2 où ALI 10 s est le temps de réponse de l ALI 2) Stabilité evenons sur le montage amplificateur non inverseur et discutons de la stabilité du système : 2 méthodes : la méthode fréquentielle ou la méthode temporelle. Méthode temporelle : Méthode fréquentielle : Le système est donc stable. Le régime linéaire de l ALI peut être obtenu. Échange des bornes inverseuse et non inverseuse : comparateur à hystérésis inverseur. Stabilité du montage : Méthode temporelle : Méthode fréquentielle : Système instable. égime saturé. Les 2 bornes inverseuse et non inverseuse ne sont donc pas équivalentes. Indice probable de stabilité : On admet que pour que le système contenant un ALI soit stable et puisse fonctionner en régime linéaire, il faut la borne non inverseuse de l ALI soit bouclée sur la sortie. 3) Temps de réponse du montage amplificateur non inverseur : Identifier l action du système Vérification expérimentale

8 Tracé du diagramme de Bode asymptotique Plusieurs valeurs de 2 Produit gain * bande passante Visualisation du slew rate IV) Utilisation de l ALI en régime saturé : 1) Le comparateur simple 2) Le comparateur à Hystérésis inverseur (trigger de Schmitt)