TD1 Electronique TSI2 Pour l ensemble des montages utilisant un ou des AO, il faudra veiller à :

Transcription

1 TD Electronique TSI Pour l ensemble des montages utilisant un ou des AO, il faudra veiller à : éaliser une alimentation symétrique ±, elier les masses (alimentation, tension signal) du montage entre elles, Ne pas injecter une tension d entrée supérieure, en valeur absolue, à la tension d alimentation Utiliser des fils noirs pour la masse, rouges pour le signal, et (si possible) verts et bleus pour les fils d alimentation Exercice : Etude expérimentale du comparateur à un seuil Effectuer le montage cidessous : ~ ) Superposer les tensions () et () sur un même oscillogramme. Imprimer votre graphe à l aide du logiciel IGOL ULTASCOP et interpréter l évolution de (). On obtient une commutation pour une tension e(t) dépassant les,v : ) Quelle condition fautil imposer à pour que =? Vérifier expérimentalement cette condition. Il faut > donc < ) Quelle condition fautil imposer à pour que =? Vérifier expérimentalement cette condition. Il faut < donc > ) Estil facile d observer le mode de fonctionnement linéaire? Expliquer. ) Obtenir, à l aide du mode XY de l oscilloscope, la caractéristique ( ). Tracer sur votre copie le graphe obtenu. On obtient un comparateur à un seuil : L amplification forte, le bruit, le bruit thermique empêchent de conserver une tension de l ordre de µv, donc il n est pas facile de fixer le régime linéaire : ) Quelles peuvent être les applications d un tel montage? Montage idéal pour générer des signaux de rapport cyclique donné, pour la remis en forme de signaux numérique pour des CAN. éaliser le montage cidessous. La tension () est délivrée par un GBF délivrant une tension sinusoïdale de Hz et de V d amplitude maximale avec un offset de V

2 TD Electronique TSI Exercice : Etude expérimentale de l AO en fonctionnement ) Augmenter la fréquence du signal jusqu à khz et linéaire expliquer le comportement du signal de sortie. ) Obtenir la fonction de transfert de la structure cidessous en supposant l AO idéal et en régime linéaire. Le produit gainbande passante étant limité alors la fréquence maximale possible pour ce gain de db est donc à peu près de khz. On retrouve une amplification typique de (, ) v S v v E v S ) éaliser le montage amplificateur non inverseur cidessus en imposant une amplification de (avec des résistances de Ω et Ω). Le signal est une sinusoïde d amplitude maximale de mv de Hz. Vérfier que la fonction amplification est bien réalisée. Imprimer votre graphe. ) Proposer un protocole permettant de mesurer expérimentalement la fréquence de coupure du montage. Mesurer. Cette valeur estelle cohérente avec celle du constructeur? La calibre entre les deux vois est dans un rapport, ce qui vérifie l amplification de de la structure : On va chercher la fréquence pour laquelle le gain est diminué de db, soit une amplification de et une tension de sortie de V d amplitude maximale : On trouve une fréquence d à peu près khz (en faisant une analyse à l aide des curseurs ou éventuellement en cherchant un déphasage de ) On donne cidessous un extrait de la documentation constructeur de l A.O utilisé : ) Paramétrer le GBF pour que soit un signal carré d amplitude maximale de mv à khz. Expliquer l allure du signal obtenu et justifier la valeur du temps de réponse observé. Imprimer votre graphe. On observe le comportement d un système d ordre avec un temps de réponse de l ordre de =,µ), soit une fréquence de coupure de khz

3 TD Electronique TSI ) Fixer une amplification de (avec des résistances de Ω et Ω) et paramétrer le GBF pour que soit un signal sinusoïdal de khz et de V d amplitude maximal. En plus d un signal atténué, qu observezvous lorsque vous augmentez l amplitude du signal? Mesurer la pente maximale du signal de sortie à l aide des fonctions disponibles sur un oscilloscope numérique. Joindre le graphe obtenu Le Slew ate est un effet non linéaire qui se traduit par une distorsion du signal et donc la création d harmonique : Il s agit ici d une autre limitation de l AO. C est une limitation de la pente de la tension de sortie indépendante de la limitation en fréquence liée au modèle d ordre de l AO. On trouve alors une pente de l ordre de V/µs Exercice : Entraînement Toutes les structures suivantes utilisent des AO supposés idéaux et en fonctionnement linéaires. Donner l expression des fonctions de transfert de chaque structure et proposer une application. ) La quantité est appelée Slew rate (vitesse de balayage) et traduit une non linéarité de l A.O. Comment cette non linéarité se manifestetelle lorsque l on analyse le spectre du signal obtenu à la question précédente? Joindre le graphe obtenu. Pour effectuer une analyse spectrale, il faut prendre un nombre suffisant de période (en travaillant sur une base de temps de µs et donc une fréquence d échantillonnage de MHz)Le signal d entrée est «parfait» ou pur : UAA UAA V V OS V OS V V V Vn V OS V UAA

4 TD Electronique TSI V V' UAA V V OS V V OS C C V V OS C V V OS UAA V V OS C TXD U TL8//TI V V N N P TXS VCC VCC C

5 TD électronique TSI Schémas Fonctions de transfert emarquesapplications UAA V V OS On obtient : On peut amplifier en tension sans inversion. Attention cependant à voir que cette amplification est nécessairement supérieure à. UAA V V OS On obtient : On obtient un suiveur en tension. Avec une impédance d entrée grande et une impédance de sortie faible ce montage ne perturbe pas «ses voisins». UAA V OS V On obtient : On a une amplification avec inversion avec ici une possibilité d atténuer le signal d entrée.

6 TD électronique TSI schémas Fonctions de transfert emarquesapplications V V Vn UAA V OS V On obtient : Vi i On obtient un sommateur V' V UAA V OS V On obtient : V' V On obtient un montage soustracteur I UAA V V OS On obtient une conversion courant tension avec en sortie une tension égale à i On peut imaginer que le courant est délivré par une photodiode ou un autre capteur. Ce qui permet d avoir une tension image du courant et de la grandeur physique captée.

7 TD électronique TSI schémas Fonctions de transfert emarquesapplications V V OS On obtient un intégrateur C dt C C V V OS d C dt On obtient un dérivateur C V V OS On obtient un filtre passe bas d ordre actif T j c

8 TD électronique TSI TXD P C VCC U N TL8//TI N C VCC V V TXS Avec Millman : = Toujours d après Millman : = ( ) = = = / On a donc un filtre passe bas d ordre de SallenKey avec une amplification statique unitaire, une pulsation propre = et / = soit = Ce montage est un suiveur en BF et courtcircuite les HF car C est alors équivalent à un fil : on bénéficie alors des performances de l AO suiveur en fonction filtrage Soit : = = ( ) ( )( ) ( )( ) = ( ) ( ) = =

9 TD électronique TSI Exercice : On considère le filtre suivant : ) Donner les expressions et valeurs des pulsations importantes dans l étude de cette structure. = kω, = kω, = kω, C = µf et C = nf ) Prévoir, sans calcul, la structure équivalente de ce filtre pour les différents domaines de fréquence pertinent de ce montage. En déduire les diagrammes de Bode asymptotique. ) Déterminer précisément la fonction de transfert de ce filtre. Comparer ce résultat à votre analyse qualitative Il apparait donc plusieurs pulsations de référence : = = / = = / = = / On a un montage dérivateur On a un montage amplificateur inverseur On a un montage intégrateur On a un montage amplificateur inverseur

10 TD électronique TSI La fonction de transfert s obtient avec Millman : = = Donc : = = ( ) et = = ( ) = ( ) = ( ) ce qui permet de retrouver le comportement asymptotique : avec = = ( ) = ( ) On a un montage dérivateur On a un montage amplificateur inverseur = ( ) On a un montage intégrateur = On a un montage amplificateur inverseur

11 TD électronique TSI La simulation sur Orcad fait apparaître également la limitation en fréquence de l AO à khz et donc.hz.hz Hz Hz Hz Hz.KHz.KHz KHz KHz KHz KHz.MHz *LOG((V(US)/ V(Ue))) Frequency

12 TD électronique TSI Exercice : Etude expérimentale d un comparateur à hystérésis On considère le circuit suivant avec = Ω et = Ω. L AO est alimenté sous ±. ) La source de tension () est sinusoïdale de fréquence Hz et d amplitude maximale de V. éaliser le montage puis interpréter la forme du signal de sortie observé à l oscilloscope. Imprimer le graphe. On observe les commutations respectant les caractéristiques du cycle : U V V OS ) Justifier qualitativement que le montage donné ne fonctionne généralement pas linéairement. La seule rétroaction positive conduit à la saturation de l A.O ) Exprimer et évaluer la tension en fonction de ±, tension de saturation de l amplificateur. Il s agit d appliquer un PDT : = ± ) eprendre l expérience précédente en imposant une fréquence de khz. Imprimer et expliquer le graphe obtenu. Par exemple à khz, on retrouve une limitation liée au S : ) On suppose initialement que la tension de sortie est. Qu en déduire concernant et? Pour quelle tension y atil basculement de la sortie? Si la tension de sortie est initialement de alors > et > soit > et donc >. Il y aura donc basculement lorsque dépassera la valeur ) Quand la tension de sortie est, pour quelle tension y atil basculement de la sortie? Si la tension de sortie est initialement de alors < et < soit < et donc <. Il y aura donc basculement lorsque passera sous la valeur On a typiquement V balayé en,µs soit S = 8V/µs ) eprésenter proprement la courbe = ( ).

13 TD électronique TSI Exercice : Application du comparateur à deux seuils ) eprésenter le graphes ( ) associé au montage cidessous : V V OS Ce type de comparateur permet une commutation moins sensible au bruit. Par exemple avec des seuils à ± on a : Avec un comparateur à un seuil, il est possible d effectuer l opération cidessous : Cependant les signaux, sont souvent bruités. V V V ) Pourquoi un comparateur à deux seuils estil moins sensible au bruit qu un comparateur à un seuil.