Amplificateurs différentiels et opérationnels

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1 UNIVESITE MOHAMMED V Faculé des Scences, aba Amplfcaeurs dfférenels e opéraonnels Chapre 3 1

2 Amplfcaeur dfférenel L amplfcaeur dfférenel, pare à couplage par les émeeurs (BJT) (pare à couplage par les sources (MOSFET)) es un module fonconnel essenel des ampl Op négrés modernes. V CC C1 c1 C1 C c C B1 B 1 B B EE I EE V d B1 B

3 Supposons EE I e E1 E SE I e SE ( )/ V B1 E T ( )/ V B E T E1 E e e ( B B )/ VT V 1 d/ T Sachan que On peu écrre : I E1 E EE I C1 EE C / I EE I C EE I I E1 EE E EE 1 e d/ VT 1 1 d / VT 1 e Le crcu se compore lnéaremen s on chos : V / d T d 4V T d 4V T d / V. Pour plus de précson T 3

4 Analyse pes sgnaux Les ensons d aaques des enrées 1 e s écren : V BE1 BE be1 V BE BE be La enson dfférenelle es donnée par la relaon : d b1 b La enson en mode commun es défne par : 1 cm ( b 1b ) Compe enu de ces relaons, les ensons ondulaores aux enrées 1 e peuen se mere sous la forme : b1 b d cm d cm 4

5 Désgne le schéma pes sgnaux du ranssor Bpolare * c1 c c1 c c * c d B 1 B d cm cm EE d b1 b 5

6 Mode dfférenel c1 c c c c c c1 c c c c c d B 1 EE 0 B d d B 1 B d d b1 b Les courans raersan les réssances colleceurs son en sens opposés, ce qu enraîne, par rason de symére, un couran nul dans la réssance émeeur. La symére nous condu à ulser la noon de dem-amplfcaeur pour l analyse. d 6

7 On ne a donc consdérer que la moé de l amplfcaeur dfférenel: d c1 c B 1 c d g m B c 1 1 r r o c be Schéma de l Ampl dfférenel en mode dfférenel be c Le gan dfférenel es défn par : A g r r g d r c1 d m o C o C m C be / ro C La réssance d enrée dfférenelle es : d d b r 7

8 Mode commun c1 c c c c c c1 c c c c c cm B 1 EE B cm cm B 1 EE B EE cm d 0 On peu ulser la noon de dem amplfcaeur par rason de symére. 8

9 g m be c cm c1 B 1 c c cm B c 1 1 c be r r o EE EE Schéma de l Ampl dfférenel en mode commun Le gan en mode commun es défn par la relaon : S ro g c1 m be C be g r cm be m be EE A cm A cm EE m c1 cm g m C g 1 9

10 Le aux de réjecon de mode commun, en abrégé CM es : CM A A d cm g m Pour aor un amplfcaeur de dfférence, le aux de réjecon de mode commun do êre grand. Compe enu des deux modes, dfférenel e commun, on peu écrre les ensons de sore ans : EE * d d cm c 1 Ad Acm cm Ad CM * d d cm c Ad Acm cm Ad CM 10

11 Amplfcaeur Opéraonnel L amplfcaeur opéraonnel adme deux enrées e une sore. Il es conçu de sore que la enson de sore so proporonnelle à la dfférence des ensons d enrées. Il es, en général, composé de ros éages (or fgure) : E V E3 E5 E 4 Q3 Q1 Q V E I Q V Q4 C o K 1 1. Le premer éage es un amplfcaeur dfférenel (Q1,Q) aec charge ace (Q3,Q4). IQ es la source de polarsaon de l éage. o. Le second, es un amplfcaeur de enson nerseur de for gan K. La capacé Co ser à fxer la bande passane pour que AO so sable. 3. Le derner, es un amplfcaeur de gan unare qu ser à produre le couran crculan dans la charge. 11

12 Schéma de prncpe V CC s e Ao 0 V CC Enrée nerseur Enrée non nerseur éssance de sore (75, OA741) éssance d enrée(50k M) 5 7 A Gan en boucle ouere (10 10 ) o La enson de sore es lmée par les ensons d almenaon La enson de sore mnmale es noée e maxmale s V sa e s A ( ) o Vsa V CC s Tensons d almenaon ±Vcc Sauraon Pose Vsa Sauraon négae -Vsa ± 9V 8V -7V ±15V 14V -13V 1

13 Conre réacon Pourquo la conre réacon pour un fonconnemen lnéare de AO? L AO es caracérsé par un gan en boucle ouere rès grand (~ ). Une fable enson d enrée condu donc à la sauraon : o A A 10 Une enson d enrée de 1mV donne en sore pour une enson de o de 100V. Pusque la enson de sore ne peu jamas aendre cee aleur, elle prend la aleur de sauraon e 1mV s s Vsa e 1mV s s V sa 13

14 Pour ajuser la gan à une aleur donnée, on do donc nrodure une conre réacon : Une pare du sgnal de sore es njecée en enrée par la borne négae, le gan sera fxé par la chaîne de reour (cf. fg. c-dessous) e s r Illusraon de la conre réacon Amplfcaeur Opéraonnel Idéal (AOI) La réssance d enrée, aucun couran ne pénère par les enrées. La réssance de sore es nulle o 0 Le gan en enson A, la enson de sore es fne, s A( ) donc l fau

15 Applcaon e crcus à AO Amplfcaeur non nerseur s Le gan en BO produ la enson : e V r r A ( ) s o e r L aénuaon du crcu de conre réacon es B B r Subsuons à la enson de reour dans l expresson du gan en BO, on aura : s A ( B ) s o e s r Le gan global de l amplfcaeur, ou calcul fa, deen : La condon s Ao A e 1 Ao B BAo 1 éan oujours sasfae, on en dédu que : 1 s 1 f A B e 15

16 Le gan en Boucle fermée (BF) es l nerse du gan du crcu de conre réacon. Il es ndépendan du gan en BO. Il es fxé par les aleurs des réssances e r Amplfcaeur sueur Pour ce amplfcaeur, e s, e, s A 1 e Il présene une rès grande mpédance d enrée e une rès fable mpédance de sore. Il ser donc à adaper des sources de grandes mpédances d enrées à des charges de fables mpédances. 0 Amplfcaeur nerseur AOI, donc, 0 La enson au donc 0. A e s r r r s e s 16

17 Amplfcaeur de dfférence Pour qu un amplfcaeur so un amplfcaeur de dfférence l fau que son gan en mode commun so nul A cm s A cm s cm 1 s cm 1 4 cm So cm 1 Acm A cm s 17

18 AOI donc cour crcu ruel enre e ( ) s 4 ( ) d 3 1 s 4 A d 1 3 d s Donc compe enu de la relaon / / : s 4 A, d 1 d 1 3, d d 3 1 A 1 3 S le gan augmene par conséquen, la réssance dfférenelle deen rès fable. Cec consue un nconénen pour ce crcu. Pour y eméder on ulse l amplfcaeur d nsrumenaon (or TD). 18

19 Amplfcaeur sommaeur Méhode des Nœuds : 1... N r Compe enu de la masse ruelle, on aura: 1... / / / / 1 1 N N N s r r 1 N 1 1 N N r r s So : 1 N s r... 1 N Le crcu réalse une combnason lnéare des enrées e nrodu un déphasage de 180 à cee combnason. emarquons que s : r 1... N s n n1 N 19

20 Amplfcaeur négraeur e déraeur Lo des malles C Donc 0 e / e e Inégraeur s Aux bornes de la capacé, on a : 0 d( ) d C C d d 1 ( ) ( ') d ' e s s s C e Pour le déraeur, on a : e C s e d C e d d e s C d Déraeur La sore es la dérée de l enrée 0

21 Exemple f x () () Eablr la relaon enre e pour le crcu suan : C1 C 5 f () 1 y 3 z 4 x () Sol. Le crcu compore deux négraeurs e un nerseur. Inégraeur 1 Inégraeur Inerseur 1 1 y( ) f ( ') d ' x( ') d ' C 1 1 C 1 1 y( ) y( ') d ' y C 3 5 ( ) z( ) En combnan ces résulas, on oben l équaon : d x f x C C C d

22 Imperfecons de l AO Pour un AO réel la enson de sore n es pas nulle même s l enrée dfférenelle es nulle : s V OS Tenson OFFSET Cee enson de décalage es due à la dssymére des ranssors; elle es précsée Par le fabrquan qu donne : V 1à 5mV OS Le schéma c-dessous représene l effe de la enson OFFSET V OS

23 La compensaon OFFSET do êre sysémaque pour éer la sauraon de l AO (qu appara pour 0.1mV ) On dspose sur le boer de l AO de broches offse (1 e 5) permean de réalser la compensaon par un poenomère exerne (or fg.) : On ajuse le poenomère jusqu à ce que la enson de sore so nulle. V CC k V CC Compensaon OFFSET 3

24 Un aure caracérsque non déale de AO résule de la présence de deux sources de courans de polarsaon des ranssors qu on peu représener comme sur la fgure suane: B B1 La aleur moyenne de ces deux courans es appelée couran de polarsaon d enrée e leur dfférence le couran d enrée OFFSET I I IB I I I B1 B OS B1 B I 80 na ( AO 741), 30 pa ( AO 081) B 4

25 Pour les ensons de sore, on es lmé par la araon ds d S e s s s S Un sgnal en créneaux en enrée présene en sore une pene donnée par le consruceur : S 0.5 V / s(741), 13 V / s(081) En fa, la réponse d un AO es celle d un flre passe bas. Le gan en BO prend la forme : Ao Ao 1 j o 1 5

26 Aures crcus à AO : comparaeurs s Vsa e s Vsa Le monage peu êre modfé pour déecer une aleur de enson fxée V ref s e ref V ref e V sa V s V sa 1 e V ref 1 V 1 V ref V z e s 6

27 S le sgnal d enrée es enaché de bru (ndésrable), le comparaeur produ en sore une enson erronée due aux flucuaons près du zéro enre les ensons de sauraon (comme le monre la fgure c-dessous). e s V s sa e Vsa Afn de rendre le comparaeur nsensble au bru, la echnque d ncorporaon de réroacon pose, appelée c hyséréss, peu êre ulsée. 7

28 La comparason se fa enre la enson d enrée e la enson S la enson de sore au : s Vsa Le dseur de enson en sore ramène la enson à : 1 Vmax, h Vsa 1 s Vsa 1 Vmax, b Vsa 1 e s Vsa e e V sa V 1 1 sa 1 s 1 1 Vsa 8

29 Pour les comparaeurs qu on en de cer ( déeceur de zéro, comparaeur à hyséréss), la sore prend les aleurs maxmales : V, V sa sa On peu lmer les aleurs de la sore à des aleurs V V, V V s,max sa s,mn sa en ulsan des dodes Zener (cf. fgures suanes) D1 V s,max, V s,mn de sore que V z1 0.7V D 0.7V V z Vz1 0.7 V z 0.7 9

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