Partie 3: non-idéalités dynamiques. L amplificateur opérationnel CHAPITRE 9: Circuits Analogiques

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1 Circuits Analogiques CHAPITRE 9: L amplificateur opérationnel Partie 3: non-idéalités dynamiques Graphiques, caractéristiques et notes d application reproduits avec l autorisation de BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 1/13

2 Objectifs A la fin de cette partie de chapitre, vous devez être capable: D expliquer l origine et la signification des non-idéalités dynamiques de l amplificateur opérationnel D évaluer l influence de ces non-idéalités sur des exemples simples à partir de caractéristiques constructeur (cf. exercices proposés) BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 2/13

3 Sommaire 1. Bande passante 2. Slew rate 3. Temps d établissement 4. CMRR & PSRR 5. Contre-réaction en courant (CFOA) 6. Points clé 7. Exercices BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 3/13

4 1. Bande passante Réponse en fréquence petits signaux: bande passante - Gain en boucle ouverte (AOL) Pôle dominant + Produit Gain-Bande (GBW) Exemple de spécification BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 4/13

5 2. Slew rate Réponse temporelle grands signaux: "slew-rate" Ibias - + Ibias > 2 Vt Ibias C dv dt! Fonctionnement non-linéaire Ibias = Slew-rate C V fonctionnement non-linéaire retour en zone linéaire ε 0 réponse du 2nd ordre liée à la compensation ε» 2Vt Exemple de spécification Rappel: Vt = KT/q # 25mV t BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 5/13

6 2. Slew rate Cas d un signal sinusoïdal: Vpk dv dt max = 2π f Vpk dv/dt<sr dv/dt>sr limité par VCC et VEE distorsion par limitation! du slew-rate limité par dv/dt "Full-Power Bandwidth": fréquence à laquelle on commence à limiter l amplitude par le slew-rate BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 6/13

7 3. Temps d établissement Réponse en fréquence grands signaux: temps d établissement (settling-time) Dépassement (overshoot) 1 n% Réponse linéaire Slew - Rate (non-linéaire) t Exemple de spécification settling-time n% BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 7/13

8 4. CMRR & PSRR - + Origine du CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) Qualité de la source appariement de la paire différentielle appariement du miroir de courant Origine du PSRR (Power Supply Rejection Ratio): couplages parasites dans le circuit! Mauvaise réjection des parasites HF BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 8/13

9 4. CMRR & PSRR Exemple de spécification Calcul d erreur CMRR = 20 log Vin mode commun tension d offset Vout ERR = Vin CM x CMRR x gain signal PSRR = 20 log Valimentation tension d offset Vout ERR = Valim x PSRR x gain signal BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 9/13

10 5. Contre-réaction en courant (CFOA) Contre-réaction en courant (current-feedback operationnal amplifiers - CFOA) ! Vo Cc ie Vi Zinp Zinn 0 Rt ie _ Rt très grand (MΩ) CFOA RS RF RF Cc s RF RS Vo Vi Bande passante à - 3 db: 1 fc 3dB = ! Indépendante du gain 2π RF Cc au premier ordre c.f. démonstration dans la note d application SLVA051 Texas Instruments BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 10/13

11 5. Contre-réaction en courant (CFOA) Comparaison VFOA - CFOA Bande passante CFOA idéal VFOA CFOA réel CFOA IDEAL VFOA GBW = cte Gain CFOA réel! Sensibilité à la valeur de RF VFOA = Voltage-Feedback Operationnal Amplifier BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 11/13

12 6. Points clé L AOP réel présente aussi des effets non-idéaux liés à des limitations de vitesse: Du fait de la nécessité de compenser (cf cours sur la stabilité), un pôle dominant existe à fréquence relativement faible. Au delà de cette fréquence, le gain chute et donc l effet de la contre-réaction est moindre. La réponse est typiquement du 2nd ordre. Cette même compensation, réalisée par une capacité de "forte" valeur, associée au fait que le courant de charge et de décharge de cette capacité est de valeur limitée est à l origine d une limitation en dv/dt (slew-rate). En réponse à un échelon de tension, l AOP passe d abord par un régime non-linéaire caractérisé par son dv/dt limité, puis entre en régime linéaire caractérisé par une réponse du 2nd ordre. Le temps mis par l AOP pour atteindre la valeur finale (+/- une erreur spécifiée) s appelle le temps d établissement. Le mode commun appliqué en entrée d un AOP génère une tension non désirée en sortie. La qualité de l AOP se mesure par le CMRR qui est le rapport entre la valeur du mode commun appliqué et la valeur de la perturbation en sortie ramenée à l entrée. Le CMRR se dégrade quand la fréquence augmente. Les perturbations présentes sur l alimentation appliqué à un AOP génèrent une tension non désirée en sortie. La qualité de l AOP se mesure aussi par le PSRR qui est le rapport entre la valeur des perturbations d alimentation et la valeur de la perturbation en sortie ramenée à l entrée. Le PSRR se dégrade quand la fréquence augmente. Les AOP contre-réactionnés en courant (CFOA) présentent une bande passante peu sensibles à la valeur du gain en boucle fermée, contrairement aux AOP classiques (VFOA). Ils sont particulièrement adaptés aux circuits rapides. BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 12/13

13 7. Exercices 1: Le THS4001 est utilisé en amplificateur non-inverseur de gain 50. Quelle est l erreur en db sur cette valeur de gain à f=2khz et à f=1mhz? 2: Pour le circuit de l exercice 5 (chapitre 9, partie 2), quelle est la fréquence maximale du signal sinusoïdal que l on peut appliquer en entrée sans occasionner de distorsion due au slew-rate? (On prendra la valeur d amplitude maximale calculée dans l exercice 5) 3: Un circuit non-inverseur de gain 10 est réalisé à base de THS4001. Un signal sinusoïdal de 1Vpk à 1MHz est appliqué en entrée. Calculer la tension d erreur causée par le CMRR du circuit. Comparer à la valeur de signal attendue en sortie dans le cas idéal (CMRR infini). 4: Le circuit de l exercice 3 est alimenté sous +/-15V par une alimentation à découpage générant un bruit de 100mV crête entre 10kHz et 10MHz, tant sur l alimentation positive que sur l alimentation négative. Un signal sinusoïdal de 1Vpk à 1MHz est appliqué en entrée. Calculer la tension d erreur causée par le PSRR du circuit. BRS - N3/U3 - Oct L amplificateur opérationnel 13/13