L' Amplificateur Intégré Linéaire

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1 EPE académie de Nantes L' Amplificateur Intégré Linéaire 1 ymbolisation. i e i e ie v s ie v s ymbolisation européenne ymbolisation américaine 2 Modélisation. L amplificateur linéaire intégré est un amplificateur à entrées différentielles et à sortie unique. Ce composant a été conçu afin d'amplifier de signaux électriques. es caractéristiques techniques permettent de le modéliser sous la forme d'un quadripôle. 2.1 Modèle réel. i e i e Re A R s v s Paramètres du modèle réel A est de l'ordre de plusieurs millions R e est supérieure à quelques mégohms R s est inférieure à 2 ohms. 2.2 Modèle idéal. i e i e A v s Paramètres du modèle idéal A R e R s = ohm. 52_COUR_ALI_et_Comparateur 1 / 12 17/11/14

2 EPE académie de Nantes 3 Terminologie. e i e = A v s e i e = M L'entrée repérée avec le signe ' ' est appelée entrée inverseuse. L'entrée repérée avec le signe ' ' est appelée entrée non inverseuse. La différence de potentiel entre ces 2 entrées est appelée tension différentielle d'entrée. Elle souvent notée. Le paramètre A est l'amplification à vide de l'a.i.l. Les intensités des courants dans les entrées sont presque toujours négligeables dans tous les modes de fonctionnement. 4 Caractéristique de transfert d'un A.I.L. La pente correspond à l'amplification A de l'a.i.l. V s (V) Vsat Zone de saturation > V V = Vsat Zone linéaire V = A Vcc Vcc (V) Zone de saturation < V V = Vsat Vsat L'A.I.L ne peut élever sa tension de sortie V s au delà de la tension Vsat, ni l'abaisser en deçà de Vsat. La tension Vsat correspond à la tension d'alimentation Vcc à laquelle il faut retrancher une tension de déchet de l'ordre d'un volt. i est trop grand ou trop petit, l'a.i.l. est saturé, et V = Vsat. Entre les 2 zones de saturation, l'a.i.l. fonctionne en régime linéaire, c'est dans ce régime que l'on peut réaliser des amplificateurs. 5 Régimes de fonctionnement d'un A.I.L. Il existe 2 modes d'utilisation ou de fonctionnement pour l'a.i.l En régime linéaire i e et i e sont négligeables est négligeable V s = A mais ni A, ni ne sont connus En régime de saturation i e et i e sont négligeables n'est pas négligeable V s = Vsat. si > V ou V s = Vsat si < V 52_COUR_ALI_et_Comparateur 2 / 12 17/11/14

3 EPE académie de Nantes 6 Détermination du mode de fonctionnement d'un A.I.L. Il est nécessaire de savoir dans quel mode fonctionne l'a.i.l., afin d'analyser une structure ou de faire des calculs. Le régime de fonctionnement (linéaire ou saturation) d'un amplificateur opérationnel dépend de l'existence ou non d'une liaison électrique externe entre sa sortie et ses entrées. Cette liaison électrique est appelée réaction. Quatre cas sont possibles : Il n'existe aucune liaison électrique entre la sortie et les entrées : L'amplificateur opérationnel est alors en boucle ouverte. Il existe une liaison électrique entre la sortie et l'entrée inverseuse () : Il y a contreréaction ou réaction négative. Il existe une liaison électrique entre la sortie et l'entrée noninverseuse () : Il y a réaction ou réaction positive. Il existe une liaison électrique entre la sortie et l'entrée inverseuse () et entre la sortie et l'entrée noninverseuse (). 6.1 Méthode d'analyse. L'organigramme cicontre récapitule la démarche à conduire pour déterminer le mode de fonctionnement d'un amplificateur opérationnel dans un montage donné Montage à A.I.L. Le montage possèdetil une réaction? NON OUI ur l entrée inverseuse uniquement? NON OUI RÉGIME LINÉAIRE RÉGIME DE ATURATION En résumé : En boucle ouverte ou en cas de réaction positive l'amplificateur opérationnel fonctionne en régime de saturation. Les hypothèses de calcul pour déterminer sa fonction de transfert sont : et Vs = Vsat En cas de réaction négative, l'amplificateur opérationnel fonctionne en régime linéaire. L'hypothèse de calcul pour déterminer sa fonction de transfert est : =. Note : L'effet d'une réaction positive est prioritaire sur celui d'une réaction négative 52_COUR_ALI_et_Comparateur 3 / 12 17/11/14

4 EPE académie de Nantes 7 Les montages comparateurs à un seuil. 7.1 Comparateur non inverseur. Vcc Vs (V) Vsat Ve Vs Vref Ve (V) Vref Vcc Vsat 7.2 Comparateur inverseur. i ve > Vref, alors = e e > donc Vs = Vsat i ve < Vref, alors = e e < donc Vs = Vsat Vcc Vs (V) Vsat Vref Ve Vcc Vs Vsat Vref Ve (V) 7.3 Les comparateurs à collecteur ouvert. i ve < Vref, alors = e e > donc Vs = Vsat i ve > Vref, alors = e e < donc Vs = Vsat Vcc Il existe des comparateurs dont l étage de sortie est constitué d un transistor. L'émetteur de ce transistor est connecté au v et le collecteur laissé directement libre pour l utilisateur. On dit alors que la sortie est de type "collecteur ouvert". Il revient à l'utilisateur de polariser le transistor de sortie en connectant sur le collecteur une résistance de tirage reliée à une source d'alimentation positive. Vcc Une sortie à collecteur ouvert sur un comparateur se repère par un losange souligné en face de la sortie. 52_COUR_ALI_et_Comparateur 4 / 12 17/11/14

5 EPE académie de Nantes Remarques : 1. Les comparateurs à collecteur ouvert ne sont pas réellement des A.L.I. et par conséquent ne peuvent travailler qu'en régime de saturation. ur un schéma structurel, on les distingue des A.I.L. par le symbole dessiné en face de leur sortie. 2. Il existe plusieurs type de sortie, les symboles suivants permettent de s y retrouver : signifie sortie à collecteur ouvert dont l émetteur est relié au à la broche négative de l alimentation. signifie sortie à émetteur ouvert dont le collecteur est relié à la broche positive de l alimentation. signifie que le collecteur et l émetteur sont laissés libre à l utilisateur. 8 Les montages comparateurs à deux seuils ou comparateurs hystérésis. Un comparateur à hystérésis, ou encore trigger, est un comparateur possédant deux seuils de basculement. L intérêt de ces comparateurs réside dans le fait qu ils permettent de s affranchir de basculements intempestifs en présence de signaux d entrée bruités. Afin de réaliser deux seuils de basculement distincts, il faut un retour de la sortie sur l entrée non inverseuse du composant. On dit alors qu il y a réaction. 8.1 Trigger non inverseur chéma structurel. VE E Vd V V Dans ce type de montage, il y a : Un seuil de basculement haut V H, dont le dépassement fait passer la sortie de V AT à V AT. Un seuil de basculement bas V B, dont le dépassement fait passer la sortie de V AT à V AT. La différence de ces deux seuils est appelée «hystérésis» Calcul des seuils de basculement. Hypothèse N 1 : On suppose la sortie à V AT, par conséquent, on calcule la valeur VB du seuil bas dont le dépassement fera passer la sortie à V AT. V R VE R On a V = V et V AT 1 2 car V = V AT La tension de sortie V passera à V AT lorsque V < V, soit V AT VE. VAT R C est à dire V AT VE < ou encore VE 1 52_COUR_ALI_et_Comparateur 5 / 12 17/11/14

6 EPE académie de Nantes Ainsi, la tension de sortie V passera de V AT à V AT lorsque la tension d entrée VE sera inférieure à VB, avec : VB R VAT 1 R 2 Hypothèse N 2 : On suppose la sortie à V AT, par conséquent, on calcule la valeur VH du seuil haut dont le dépassement fera passer la sortie à V AT. V R VE R On a V = V et V AT 1 2 car V = V AT La tension de sortie V passera à V AT lorsque V > V, soit VAT VE. VAT R C est à dire V AT VE > ou encore VE 1 Ainsi, la tension de sortie V passera de V AT à V AT lorsque la tension d entrée VE sera supérieure à VH, avec : VH R VAT 1 R Caractéristique de transfert. V(V) V AT VB VH VE(V) V AT Calcul de l hystérésis. H=VHVB H VAT VAT H 2V AT 52_COUR_ALI_et_Comparateur 6 / 12 17/11/14

7 EPE académie de Nantes 8.2 Trigger inverseur chéma structurel. E Vd VE V Dans ce type de montage, il y a : Un seuil de basculement haut V H, dont le dépassement fait passer la sortie de V AT à V AT. Un seuil de basculement bas V B, dont le dépassement fait passer la sortie de V AT à V AT. La différence de ces deux seuils est appelée «hystérésis» Calcul des seuils de basculement. Hypothèse N 1 : On suppose la sortie à V AT, par conséquent, on calcule la valeur VH du seuil haut dont le dépassement fera passer la sortie à V AT. On a V = VE et V VAT car V = V AT La tension de sortie V passera à V AT lorsque V > V, soit VE VAT. Ainsi, la tension de sortie V passera de V AT à V AT lorsque la tension d entrée VE sera supérieure à VH, avec : VH VAT Hypothèse N 2 : On suppose la sortie à V AT, par conséquent, on calcule la valeur VB du seuil bas dont le dépassement fera passer la sortie à V AT. On a V = VE et V VAT car V = V AT La tension de sortie V passera à V AT lorsque V < V, soit VE VAT. Ainsi, la tension de sortie V passera de V AT à V AT lorsque la tension d entrée VE sera inférieure à VB, avec : VB VAT V 52_COUR_ALI_et_Comparateur 7 / 12 17/11/14

8 EPE académie de Nantes Caractéristique de transfert. V(V) V AT VB VH VE(V) V AT Calcul de l hystérésis. H=VHVB H V AT V AT H 2V AT 9 Les montages amplificateurs. Dans ces montages, il existe une contre réaction. L'A.I.L. est associé à des éléments résistifs dont le rôle est de diminuer la valeur de l'amplification en boucle ouverte A. En cas de réaction négative, l'amplificateur opérationnel fonctionne en régime linéaire. L'hypothèse de calcul pour déterminer sa fonction de transfert est : =. Afin d'établir l'expression littérale de la fonction de transfert d'un montage où un amplificateur opérationnel fonctionne en linéaire, il faut, en appliquant les théorèmes fondamentaux de l'électricité (loi d'ohm, pont diviseur, théorème de superposition, théorème de Millman..) : 1. Rechercher l'expression littérale de la tension présente sur l'entrée "" de l'amplificateur, 2. Rechercher l'expression littérale de la tension présente sur l'entrée "" de l'amplificateur, (Cette tension est obligatoirement une fonction de la tension de sortie Vs et de la (des) tension(s) d'entrée.), 3. Écrire l'égalité des deux expressions trouvées, 4. Écrire l'équation trouvée sous la forme Vs en fonction de la (des) tension(s) d'entrée du montage. 52_COUR_ALI_et_Comparateur 8 / 12 17/11/14

9 EPE académie de Nantes Type de montage tructure Amplification A VM VEM uiveur VEM E VM VM=VEM A=1 M V Amplificateur inverseur VEM E M V VM VM VEM R A 2 Amplificateur non inverseur VEM E VM VM 1 VEM A 1 M V oustracteur VE2M E2 E1 VE1M VM VM R 2 VE1M VE2 M A R 2 M V ommateur inverseur VE1M E1 VE2M E2 M V VM VM VE1M VE2M R A 2 52_COUR_ALI_et_Comparateur 9 / 12 17/11/14

10 EPE académie de Nantes 1 Défauts des ALIs. L amplificateur linéaire intégré parfait n existe pas. Bien que l on se rapproche du modèle idéal, il subsiste des erreurs liées à la technologie de fabrication de l amplificateur. 1.1 Les erreurs statiques. Elles sont dues à la présence de générateurs de courants et de tensions parasites qui faussent la valeur de la tension de sortie en régime continu. On trouvera parmi les erreurs statiques: Les courants de décalage Ip et Ip des entrées e et e. La tension de décalage Vd, ou tension d offset. Vd Ip Ip Ip Ip Vd ε= I = I = Vs On peut exprimer la tension de sortie de l amplificateur en vertu du théorème de superposition: Ip 1 Ip 2 Vs Ad K Vd K Ip Vd Les défauts statiques ne peuvent être annulés, mais il existe des structures qui permettent de les compenser et de minimiser leur effet Courants de polarisation Les courants de polarisation sont les courants de base des transistors constituant l étage d entrée de l amplificateur. Ils peuvent être modélisés par des générateurs de courant constant placés entre chacune des entrées d un A.L.I. parfait et la masse. Vd Ip I = ε= Ip > ou ip < Ip > ou Ip < Ip Ip I = Ip Vs Pour réduire au minimum l influence des courants de polarisation d entrée, chaque entrée doit «voir» la même résistance. Plus les valeurs de résistance seront élevées et plus cette nécessité sera impérative La tension de décalage La tension de décalage est liée à la dissymétrie de l étage d entrée de l amplificateur. Elle peut être modélisée par un générateur en série avec l une des entrées d un A.L.I. parfait, dont le coefficient d amplification en tension sera limité. La tension de décalage en entrée est définie pour Vs = V. 52_COUR_ALI_et_Comparateur 1 / 12 17/11/14

11 EPE académie de Nantes Vd Vd> ou Vd< Caractéristique de transfert. Régime linéaire Vs (V) Vsat=Vcc tension de déchet ε=vd Vs Pente = Ad Vd (V) Vsat=Vcc tension de déchet Compensation par balancement (balancing circuit). ε=vd Vs = P = 1 K Certains amplificateurs possèdent deux entrées permettant de compenser la tension de décalage d entrée. La correction est ajustable depuis l extérieur du circuit par l intermédiaire d un potentiomètre. Vcc 1.2 Les erreurs dynamiques. Ces erreurs sont dues à : La limitation du coefficient d amplification et de la bande passante de l amplificateur. La limitation de la vitesse maximale de variation de la tension de sortie Produit gainbande ou facteur de mérite. En pratique, le coefficient d amplification Ad a une valeur finie qui diminue lorsque la fréquence augmente. Le produit de l amplification par la bande passante est toujours constant et égal à la largeur de la bande passante ft donnée pour l amplification unité. Amplification Bande passante = Constante = ft On désire connaître la bande passante du montage cidessous, réalisé avec un A.L.I. dont la réponse en fréquence est donnée sur la figure R 2 =1K 1 R 1 =1K 8 6 Ve Vs Gain(dB) 4 2dB/dec 2 ft=1mhz fc=1khz e6 1e7 Fréquence (Hz) Le montage ayant une amplification de 1, sa bande passante est tout simplement 1 fois plus étroite que celle de l A.L.I. à l amplification unité. 52_COUR_ALI_et_Comparateur 11 / 12 17/11/14

12 EPE académie de Nantes Le slewrate La limitation de la bande passante a une influence sur la vitesse de variation de la tension de sortie d un A.L.I. En effet celleci est limitée à une vitesse maximale audelà de laquelle le signal de sortie se déforme : Ce phénomène s appelle le «slewrate». Il s exprime en V/µ. La distorsion consécutive à l apparition du «slewrate» se manifestera, pour une tension sinusoïdale appliquée en entrée, par une «triangularisation» du signal de sortie. Vs(t) ignal souhaité ignal réel déformé par le slewrate t) 52_COUR_ALI_et_Comparateur 12 / 12 17/11/14