Amplificateur intégré linéaire (A.I.L.)

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1 mplificateur intégré linéaire (.I.L.) I- Introduction : 1) Généralités : L amplificateur intégré linéaire (.I.L.), aussi appelé mplificateur opérationnel ( mpli Op ) se présente sous la forme d un circuit intégré de 8 broches dans sa version la plus simple : Ce circuit comprend au moins deux broches d entrée, une broche de sortie et deux broches d alimentation. Il est utilisé dans différentes fonctions : 2) ymbole : - Comparaison de deux tensions, - mplification d une tension, - Filtrage d un signal, - Opérations arithmétiques de grandeurs analogiques (addition, soustraction), - Etc. +V V V ymbole européen V utre symbole courant Reconnu internationalement - est appelée Entrée non-inverseuse, - est appelée Entrée inverseuse, - est la borne de sortie. - V est la borne d alimentation haute du circuit intégré, - V est la borne d alimentation basse du circuit intégré. Remarque : ur un schéma structurel, il n est pas nécessaire d indiquer sur les symboles les deux bornes d alimentation, elles sont implicites. On indiquera uniquement, par écrit, les valeurs choisies pour alimenter le C.I. Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 1

2 II- Propriétés : 1) Caractéristiques électriques : U E I I U E I et I sont appelés courant de polarisation. 2) Tension différentielle : - Les courants d entrée I et I sont très faible, de l ordre du. - L.I.L. possède, sur chacune de ses entrées, une grande résistance, de l ordre du M. - L.I.L. possède une faible résistance de sortie, quelques ohms. - L.I.L. pour fonctionner doit être alimenté par : a) une alimentation symétrique : Exemple : V = 12V V = 12V b) une alimentation simple : Exemple : V = 15V V = V On appelle tension différentielle, notée U d, la tension résultante de la différence entre la tension appliquée à l entrée non-inverseuse et celle appliquée à l entrée inverseuse. U E U E U d I I oit U d la tension d entrée différentielle, on a : U d = U U Remarque : cette tension d entrée différentielle est aussi notée à l aide de la lettre grecque Epsilon ( ou encore Ued dans certains ouvrages. 3) Coefficient d amplification : L.I.L. est un amplificateur différentiel. Cela signifie que sa seule activité consiste à : mplifier la tension d entrée différentielle et présenter la tension résultante sur la borne de sortie dans la plage que lui autorise son alimentation. On a : = = (U U ) Le coefficient est appelé : Coefficient d amplification en boucle ouverte de l.i.l.. Il est fixé à la fabrication du composant, il est donc spécifique à un mpli Op donné. Le coefficient est de très grande valeur, de l ordre de 10 5 à Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 2

3 4) Tension de saturation : On appelle tension de saturation la tension maximale ou minimale que peut prendre la sortie de l IL. Cette tension de saturation est légèrement inférieure (en valeur absolue) à la tension d alimentation. Il existe donc deux tensions de saturation : - Une tension de saturation haute notée V T - Une tension de saturation basse notée V T Exemple : i l.i.l. est alimenté entre +12V et 12V, on a : V T = 11.8V 12V V T = V 12V 5) pplications : On considère le montage suivant dans lequel l.i.l. est alimenté entre 9v et 9v. U 1 U 2 I I 9V a) On donne U 1 = 3V et U 2 = 1V. Calculer Us. b) On donne U 1 = 1V et U 2 = 3V. Calculer Us. c) On donne U 1 = 3V et U 2 = 1V. Calculer Us. -9V d) On donne U 1 = 1V et U 2 = 3V Calculer Us. Correction: On donne aussi : = 10 5 a) Us = (U U ) = (U 1 U 2 ) = 10 5 ( ) = 0,2V. b) Us = (U U ) = (U 1 U 2 ) = 10 5 ( ) = 0,2V. c) Us = (U U ) = (U 1 U 2 ) = 10 5 (3 1) = V!! Ce résultat n est pas correct car la tension de sortie Us ne peut être supérieure à la tension d alimentation. Lorsqu on trouve Us > V T, en réalité, Us = +V T (effet de TURTION de l.i.l.). L.I.L. étant alimenté entre 9V et 9V, On a +V T ~= +9V, D où Us ~= 9V. d) Us = (U U ) = (U 1 U 2 ) = 10 5 (1 3) = V!! De même, ce résultat n est pas correct. i on trouve Us < V T, en réalité, Us = V T. L.I.L. étant alimenté entre 9V et 9V, On a V T = 9V, D où Us ~= 9V. Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 3

4 6) Caractéristique de transfert : C est la représentation graphique des variations de la tension de sortie en fonction de la tension d entrée différentielle U D (aussi notée ). +T T 0 T U d -T Fonctionnement en régime saturé Fonctionnement en régime linéaire Fonctionnement en régime saturé Cette caractéristique de transfert met en évidence deux modes de fonctionnement pour un.i.l. : - Le fonctionnement en régime linéaire, - Le fonctionnement en régime saturé, encore appelé fonctionnement en commutation. Remarques : Pour un montage spécifique, un.i.l. est câblé pour fonctionner soit en régime linéaire, soit en régime de commutation. Lorsque l.i.l. fonctionne en régime de commutation, la tension de sortie ne peut prendre que deux valeurs : V T et V T. Lorsque l.i.l. fonctionne en régime linéaire, la tension de sortie peut prendre toutes les valeurs comprises entre V T et V T. ussi, la valeur de la tension d entrée différentielle est très faible. 7) Mise en œuvre : limentation d un.i.l à l aide d une alimentation symétrique : Comment procéder afin de mettre en œuvre une alimentation de +15V,-15V? Il suffit de connecter deux sources simples de tension de 15V en série dont le point milieu est pris comme potentiel de référence, c est-à-dire le potentiel 0V. +15V 15V +15V +15V M 0V B On a bien : U M = 15V U BM = U MB = 15V Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 4

5 Remarque : Le potentiel 0V est aussi appelé Masse et a pour symbole ou bien Ou encore. La masse possède une connexion implicite : B B III-.I.L. idéal ou parfait: On sait qu un.i.l. réel possède entre autres caractéristiques : - Les courants d entrée sont très faibles, - La résistance d entrée est très grande, - La résistance de sortie est très faible, - Le coefficient d amplification en tension est très élevé. De ce fait, pour simplifier des calculs ultérieurs, il est possible de faire une approximation de ces caractéristiques sans modifier de manière significative les résultats des calculs. insi, on posera : - Les courants d entrée sont nuls : I = I - La résistance d entrée est infinie : Re = - La résistance de sortie est nulle : Rs = 0 - Le coefficient d amplification en tension est infini : = Un.I.L. possédant de telles caractéristiques est appelé.i.l. idéal ou encore.i.l. parfait. Tableau récapitulatif des caractéristiques :.I.L. réel Résistance d entrée Re 1M Re = Résistance de sortie Rs = quelques ohms Rs = 0 Courants d entrée I = I 1 I = I mplification en tension 10 5 =.I.L. idéal Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 5

6 IV- Modélisation de l.i.l. en régime linéaire : 1).I.L. réel : L.I.L. réel peut être modélisé comme ci-dessous :.I.L. réel Re Rs i s u E+ ue u = - Rs.i * est la tension d entrée différentielle : =u E+ u E * Re est la résistance d entrée, * Rs est la résistance de sortie, * est le coefficient d amplification en tension de l.i.l. 2).I.L. idéal : L.I.L. idéal peut être modélisé comme ci-dessous :.I.L. idéal u E+ u E i s u = * est la tension différentielle d entrée : =u E+ u E * est le coefficient d amplification en tension de l.i.l. V- Différenciation entre Régime linéaire et régime de commutation : Un.I.L. ne peut fonctionner que suivant deux modes : - En régime linéaire, - En régime de commutation (régime saturé). 1) Régime linéaire : - En régime linéaire, la tension de sortie peut varier dans une plage de valeurs comprises entre +Vsat et Vsat. - De plus, en considérant que l.i.l. est idéal, la tension d entrée différentielle est toujours nulle. Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 6

7 2) En commutation : - En commutation (régime saturé), la tension de sortie ne peut prendre que deux valeurs : +Vsat et Vsat. - La tension d entrée différentielle ne peut pas être nulle. 3) Comment différencier, au sein d une structure quelconque, un IL fonctionnant en régime de commutation ou en régime linéaire? RÈGLE : Un.I.L. fonctionne en régime linéaire lorsqu il existe UNIQUEMENT une contre- réaction : {rebouclage de la sortie () vers l entrée inverseuse (E - )}, que cette contre-réaction soit constituée d un simple conducteur, d un composant, ou d une structure électronique plus complexe. Un.I.L. fonctionne en régime de commutation (régime saturé) dans tous les autres cas. Exemples : +V E - +12V -V R 3 E- u e -12V U U 1 1 Régime linéaire ( = 0) Régime saturé ( 0) C Contre-réaction R 4 Bascule de chmitt C i i + U 1 U 2 U 3 R 3 u C u 3 R 3 u Régime linéaire ( = 0) Régime saturé ( 0) Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 7

8 VI- Fonctions réalisées avec une.i.l. en commutation : 1) Comparateur simple : Le comparateur est la fonction la plus élémentaire réalisée avec un.i.l. U 1 U 2 9V I I -9V Etude : i U1 > U2 alors > 0 Règle : - i la tension appliquée à l entrée est plus grande que la tension appliquée à l entrée alors = +V T. - i la tension appliquée à l entrée est plus petite que la tension appliquée à l entrée alors = V T Exemple : On effectue bien la comparaison entre les tensions d entrée de l.i.l. la tension de sortie est représentative du résultat de cette comparaison. Dans le montage ci-dessus, l.i.l. est alimenté entre 9V et 9V. * Pour U 1 = 8V et U 2 = 3V, quelle est la valeur de la tension? U E+ = U 1 = 8V U E = U 2 = 3V U E+ > U E => = +V T = 9V * Pour U 1 = 7V et U 2 = 4V, quelle est la valeur de la tension? U E+ = U 1 = 7V U E = U 2 = 4V U E > U E+ => = V T = 9V Exemple d utilisation : Testeur de batterie : on compare la tension aux bornes d une batterie par rapport à une tension de référence. Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 8

9 2) Comparateur à deux seuils : Ue U Ref Us Dans un comparateur simple, le changement d état de la sortie s effectue pour une valeur fixée de la tension appliquée à l entrée, quelque soit le sens de variation de cette tension. Dans un comparateur à seuils, aussi appelé Trigger ou encore Bascule de chmitt, le changement d état de la sortie se produit : - Pour une valeur donnée lorsque la tension d entrée augmente, - Pour une autre valeur, souvent opposée, lorsque la tension d entrée diminue. Fonctionnement : Ue I 2 I 1 I Us U REF est notre tension de référence. Elle est appliquée à l entrée de notre dispositif. On va comparer une tension appliquée à l entrée à cette tension de référence. Or, cette tension de référence vaut une fraction de la tension de sortie. U Ref M 1 Calculons U REF en fonction de Us, et : u point, d après la loi des nœud, on a : I = I 1 + I 2 Or I 2 = 0 donc I 1 = I. Dessinons le schéma équivalent de la maille M 1 : Us I U Ref D après la relation du pont diviseur de tension, on a : R1 U Ref =.Us R R Or Us peut prendre deux valeurs : +V T et V T. De ce fait, U Ref peut prendre deux valeurs : U Ref = R1 R R R1 V T ou U Ref = R R V T Ces deux tensions sont appelées euils de basculement du comparateur de chmitt. Il existe donc : Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 9

10 - Un seuil de basculement positif noté T + : T + R1 = V T R R - Un point de basculement négatif noté T : T R1 = V T R R Remarque : La notation T provient de l anglais Trigger. pplication : L.I.L. est alimenté entre +10V et 10V (V T = 10V). On donne = = 5k. a) Calculer les deux tensions de basculement T + et T. b) Représenter la caractéristique de transfert en tension, V : f (V E ). c) Représenter sur une durée de deux périodes les variations de la tension de sortie Us si on applique sur la borne d entrée une tension alternative sinusoïdale d amplitude 10V et de fréquence 50Hz. Réponses attendues : a) T + = R1 R R V T = ( 5 5) T + = 5V T = R1 R R (V T ) = ( 10) 3 (5 5)10 T = 5V b) L IL fonctionne en régime de saturation (il existe une réaction positive par l élément résistif qui a tendance à accentuer la saturation de l IL), la sortie Vs ne peut donc prendre que deux valeurs : +Vsat ou Vsat (représentatives des tensions d alimentation de l IL). Déterminons cidessous les conditions d obtention de ces deux valeurs.. 1) i Vs = +Vsat, d après la caractéristique de l IL supposé parfait, > 0 donc (V + ) - (V - ) > 0 alors V + >V - et donc d après le montage Vref > Ue Par conséquent, Ue < Vref Ue < [R1/ (R1 +R2)].Vsat Conclusion, l application numérique donne : Vs = 10v lorsque Ue < +5v On en déduit que Vs = - 10v dans le cas contraire (Voir graphe rouge) 2) De même, i Vs = -Vsat < 0 donc (V + ) - (V - ) < 0 donc V+<V - et donc d après le montage Vref < Ue Par conséquent, Ue > Vref Ue > - [R1/ (R1 +R2)].Vsat Conclusion, l application numérique donne : Vs = - 10v lorsque Ue > - 5v On en déduit que Vs = + 10v dans le cas contraire (Voir graphe bleu) Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 10

11 Vs (v) + Vsat = +10 v T - = -5v 0 T + =5v Ve (v) - Vsat = - 10 v La courbe rouge est valable lorsque la tension Ue est croissante T + est la valeur particulière de Ue croissant pour laquelle la tension de sortie Vs bascule de +Vsat à -Vsat La courbe bleue est valable lorsque la tension Ue est décroissante T - est la valeur particulière de Ue décroissant pour laquelle la tension de sortie Vs bascule de -Vsat à +Vsat c) Posons comme conditions initiales : Ue = 0 v Ue croissant, commençant par l alternance positive. 0 Nom de fichier :.I.L. - Cours complété.doc Page 11