III.) Etude de l'amplfcateur opératonnel. 3.1) Introducton : C'est un composant électronque analogque. Il consttue une brque de base dans un crcut électronque. Il peut réalser dverses opératons sur un sgnal électrque: amplfcaton, comparasons, soustractons, addtons, déphasages (décalages dans le temps), fltrages, etc... Les dfférentes fonctons à réalser par le composant sont défnes par les résstances, condensateurs, dodes, etc... auxquels l est branché ans que de la topologe du crcut externe. 3.2) Matérel : 1 2 3 4 - + V- v+ 8 7 6 5 Fg.1 Vue de dessus. Ampl op dans un boter à 8 broches Le composant se présente sous forme d'un boîter plastque ou métallque mun de bornes de raccordement. C'est un crcut ntégré, c'est à dre qu'l est formé d'une multtude de composants électronques élémentares (résstances, transstors, condensateurs, dodes, etc...) formant un crcut complexe et ntégrés dans un boîter. Ce crcut est connecté à l'extéreur par des bornes de raccordement : 3 bornes fonctonnelles et 2 bornes d'almentaton, par exemple de +15 et -15V. Prx ndcatf : réf. UA741CP : 1,- (bas de gamme). éf. LT1028 : 16,- (haute précson). Fg.2. Schéma nterne du LM741 (document Natonal Semconductor Inc.) Créé le 7 décembre 2005 AOP. 1
3.3) eprésentaton schématque et caractérstques: C'est un composant mun de 3 bornes de raccordements fonctonnelles: deux entrées + et - et une sorte. Il possède 2 bornes d'almentaton dont la tenson est en général symétrque ±5V, ±10V, ±12V, ±15V... Dans certans cas l almentaton peut auss être dssymétrque, par exemple : 0V-5V. +15V -15V Caractérstques: Fg.3 eprésentaton schématque Le gan: avec G -->, en réalté de 6.10 5 à 10 7 envron. Le gan est donc le facteur d'amplfcaton de la tenson d'entrée u du composant. En prenant comme exemple un gan de 600000, alors s u=1v, Us devrat être de 600000 V, ce qu est mpossble vu que la tenson d'almentaton ne dépasse guère ±15 V.! On dt que l'ampl. est saturé, son fonctonnement est non-lnéare. Par contre, en fonctonnement "normal", lnéare, s G est très grand c.a.d. tend vers l', alors u tend vers 0. ésstance d'entrée: e -->, en réalté 1000000 Ω, ou 10 MΩ ==> Ie --> 0 I e I e e Fg.4 ésstance d'entrée ésstance de sorte: s --> 0, en réalté 0,001Ω avec = s + ch arg e = ch arg e e charge Fg.5 ésstance de sorte Créé le 7 décembre 2005 AOP. 2
Bande passante: BP --> : en réalté quelques centanes de klohertz ou megahertz pour l'ampl. op. C'est la capacté de l'ampl. à répondre lnéarement à une varaton rapde du sgnal d'entrée. De manère générale, la bande passante est défne comme étant la bande de fréquences pour laquelle le gan ne change pas. Gan G Bande passante Fg6 éponse en fréquences d'un amplfcateur. f (Hz) 3.4) Etude en mode amplfcateur nverseur: u En utlsant les caractérstques propres de l'amplfcateur opératonnel défns précédemment: résstance d'entrée nfne sgnfe que le courant qu traverse 1 et 2 est le même. le gan de l'ampl. op. en fonctonnement lnéare est nfn, ce qu entraîne que la dfférence de potentel u est nulle. Fg.7 Inverseur Cela sgnfe que l'on pourra obtenr le gan que l'on désre par le chox d'un rapport de 2 résstances, ce qu est commode parce que les résstances sont des composants très bon marché, de bonne qualté et de valeurs extrêmement varées. = u = u = U e = U s Us = G = 3.5) D'autres montages à base d'amplfcateur opératonnel : non-nverseur Dans ce montage, l faut se souvenr que la dfférence de potentel entre la borne d'entrée + et - de l'ampl. est nulle, ce qu sgnfe que la tenson aux bornes de 1 est egale à Ve, celle aux bornes de 2 est égale à Us-Ue, on peut alors poser les équatons donnant le courant traversant 1 et 2 et montrer que : Fg.8 Non-nverseur G =1+ Créé le 7 décembre 2005 AOP. 3
suveur Fg.9 Suveur le suveur est un montage à gan = 1, Us=Ue. Il ne réalse pas d'amplfcaton, son utlsaton se justfe pour bénéfcer des avantages de résstance d'entrée très élevée et de résstance de sorte nulle. On l'appelle auss un étage tampon; en effet l assure la séparaton entre 2 montages successfs. A l'entrée, le montage ne consomme pas de courant, mas transmet le sgnal Ue vers le montage suvant. A la sorte, le suveur agt comme un générateur de tenson Us, de résstance nterne nulle, dont le courant ne dépend que de la résstance de charge. comparateur Le comparateur compare les nveaux de tensons U1 et U2. +U a S U1 > U2 alors Us = -Ua S U2 > U1 alors Us = +Ua Ce montage présente un gan --> (vor 3.3), la mondre dfférence de potentel entre les bornes d'entrée fat basculer la sorte à la tenson d'almentaton maxmale. Ce montage fonctonne toujours en saturaton. U 1 U 2 -U a Fg.10 Comparateur sommateur n 2 3 2 Le sommateur effectue la somme algébrque des tensons Ue1 à Uen. n 1 1 = 1 + 2 +...+ 2 n 3 n Fg.11 Sommateur Créé le 7 décembre 2005 AOP. 4
convertsseur courant/tenson Dans ce montage on utlse une photodode. Ce composant fonctonne comme une dode ordnare sauf qu'elle est capable de produre un courant nverse I d en présence de lumère. Ce courant est proportonnel à l'énerge lumneuse reçue et peut donc servr à la mesure de celle-c. La mesure d'un courant fable et dont la valeur ne dot pas être nfluencée par autre chose que la lumère se remplace avantageusement par une mesure de tenson. Le montage c-contre effectue une converson courant / tenson doublée d'une amplfcaton. h.ν I d photodode Us fltre, ou ntégrateur Fg.12 Convertsseur courant-tenson C c Le courant c crculant dans un condensateur est donné par la relaton : = C du c dt Dans le montage ç-contre, le courant C crcule dans la résstance et dans le condensateur C, donc : Fg.13 Intégrateur = C du c dt = (t) = 1 C U(t).dt Le sgnal de sorte du montage Us est l'ntégrale du sgnal d'entrée à une constante près. C'est auss un fltre passe-bas : fltre les fréquences basses. Créé le 7 décembre 2005 AOP. 5