Download ppt - Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 1 Amplificateur opérationnel I. Structure idéale II. Montages linéaires III. Structure non idéale et comportement

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

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Amplificateur opérationnel

I. Structure idéaleII. Montages linéairesIII. Structure non idéale et comportement en fréquence

C. Koeniguer, P. Lecoeur


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Objectifs :

• Introduire la notion d’amplification– L’amplificateur opérationnel : structure idéale

– Importance des impédances d’entrée et de sortie

• Introduire les notions de gains en puissance et en tension

• Etablir les fonctions de transfert des structures de base

• Etablir et tracer les diagrammes de Bode en gain et en phase


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I. L’amplificateur opérationnel : structure idéale

- structure d’amplification à deux entrées et une sortie

- l’énergie nécessaire pour amplifier est apportée par une alimentation DC externe qui peut-être : une alimentation symétrique : Valim = +Valim = -Valim

une alimentation positive : Valim = +Valim et –Valim = 0

En général : (Vsat = -Valim + Tdéchet) < Vs < (Vsat = +Valim – Tdéche) avec (Tdéchet = 0,6 V)il existe des ampli-opérationnels « rail to rail » pour lesquels : -Valim < Vs < +Valim

VS

+

-

+Valim

-Valim

Fonction réalisée : VSAAV+-V-)A : gain en tension infini dans le cas idéal

C’est un amplificateur en tension :

Caractéristique de la fonction de transfert :

VS

Pente infinie


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Impédance d’entré et impédance de sortie

Source ChargeAmplificateur

AviRLvSve

RivL

R0

+-

En entrée (on a un diviseur de tension) : eei

ii v

RR

Rv

Re

Pour avoir vi = ve il faut Ri >> Re donc idéalement Ri =>

En sortie (on a un diviseur de tension) : iL

LS Av

RR

Rv

0

Pour avoir vL = Avi il faut idéalement R0 ~ 0

Conclusion si Ri = et R0 = 0 :

eS Avv


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Extrait du cours du Prof. Greg Kovacs, Stanford University

-Vin

+Vin

VoutA

Le premier amplificateur opérationnel : le K2-W

12 mm

8 mm

Boîtier DIP 8

1966 – Le LM 741 de Fairchild Semiconductor Beaucoup plus récent, le TL081

Amplificateur BiFET


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Un fonctionnement linéaire

-montage avec contre réaction

Un fonctionnement non linéaire

- montage avec réaction positive

Mais, si on prélève une partie du signal de sortie pour l’injecter :

Sur la borne (-) on obtient : Sur la borne (+) on a alors :

Seule, cette structure est peu intéressante (excepté pour le fonctionnement en comparateur) puisque :

- si > 0 alors VS = Vsat

- si < 0 alors VS = -Vsat


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Fonctionnement en régime linéaire :Montage avec contre réaction

vS

-

+ve

R1

R2

Mise en équation :

• V+=Ve

• Millman : ss

s

kvvRR

R

RR

R

v

Rv

2

2

11

0

1

1

1

21

V+-V-= ve - kvs

kk

vv eS

droite de pente –1/k

vSDiscussion :

Représentation graphique :

Un point de fonctionnement := 0 donc V+ = V-k

ve

vsat

-vsat

pente : -1/k


8


vS

+

-ve

R1

R2

Mise en équation :

• V-=Ve

• On a diviseur de tension en V+ :

ss kvvRR

Rv

21

1

V+-V-= kvs - ve

kk

vv eS

droite de pente 1/k

vSDiscussion :

Représentation graphique :

Ve/k n’est pas un point de fonctionnement stable :

> 0 conduit à VS = +Vsat

< 0 conduit à VS = -Vsatk

ve

+vsat

-vsat

pente : +1/k

A

B

Fonctionnement non linéaire :montage avec réaction positive


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II. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires

Montage non inverseur :

Montage suiveur :

• fonction de transfert

• Impédance d’entrée : car ie=>0

• Impédance de sortie :

1

21R

RR

v

v

e

S

e

ee i

vZ

00

evS

SS i

vZ

vS

-

+ve

R1

R2

ie

ib

vS

-

+ve

1e

Sv

v

Montage inverseur :

vS

-

+ve

R1

R2

ie ib

1

2R

R

v

v

e

S • fonction de transfert

• Impédance d’entrée :

• Impédance de sortie infinie 1Ri

vZ

e

ee


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Montage sommateurs :

Additionneur inverseur : Soustracteur différentiel :R

vS

-

+

ve1

R1

ve2R2…

vei

Ri

En utilisant le théorème de superposition :

N

NS R

v...

R

v

R

vRv

2

2

1

1

Chaque voie d’entrée possède une impédance propre

L’impédance de sortie est nulle :

001

N..ivS

SS i

vZ

vS

-

+

ve1

R1

ve2R2

R

R3

32

32 RR

Rvv e

Se vRR

Rv

RR

Rv

1

11

1

D’où :

1

12

32

3

1

1eeS v

RR

Rv

RR

R

R

RRv

Impédance de sortie nulle

Impédance d’entrée : 11 RZe

322 RRZe


11


Convertisseur courant-tension : Source de courant :

vS

-

+

R1

ie

Photodiode

Application :

vS

-

+

R

ie

AN : ie = 10uA R=1M

VS = 10 V

Impédances d’entrée et de sortie : nulles

V+=V-=0

VS=-R1ie vS

-

+

RL iS

ve

RV+=V-=Ve

iS=Ve/R

• Impédance d’entrée infinie

• Impédance de sortie infinie :

• is est indépendante de la charge

• RL est flottante : aucune référence à un potentiel fixe : elle correspond à la charge

00

s

vS

SS

v

i

vZ

e

Application :

Commande de l’intensité traversant une ampoule ou d’une DEL


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III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence

Avertissement : Pour comprendre le fonctionnement en fréquence d’un AOPIl faut abandonner le modèle parfait utilisé dans la première partie

Par construction le comportement en fréquence de l’AOP est de type passe-bas avec :- une fréquence de coupure ( c) de l’ordre de 10 Hz - un gain en tension Av important (et non plus infini) de l’ordre de 105

Ce qui conduit au diagramme de Bode en gain :

Cette fonction de transfert s’écrit :

C

v

j

A)j(H

1

log

20 log (Vs/Ve)

0 c

pente –20 dB/dec20 log (AV)


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Comportement en fréquence du montage non inverseur (1/2) :

vS

-

+ve

R1

R2

ie

ib ss kVVRR

Rv

21

1

Mise en équation :

•

• )VV)(j(H)j(HVdonc

j

A)j(H eS

C

v

1

Fonction de transfert :

'c

'v

vc

v

v

c

vc

c

v

c

v

c

v

e

s

j

A

)kA(j

kAA

j

kAj

j

A

j

Ak

j

A

V

V

11

1

1

1

1

1

11

1

6

1

21 101

1

v

v

v'v Acar

R

RR

kkA

AA

cvcvc kA)kA(' 1


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Comportement en fréquence du montage non inverseur (1/2) :


log

20 log (Vs/Ve)

0 c

20 log (AV)

20 log (AV’)

c’

Diagramme de Bode obtenu :

On constate que :

le produit gain bande est constant puisque : Avc = Av’c’

vS

-

+ve

R1

R2

ie ib


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Montage intégrateur ou passe-bas (1/2) :

R

vS

-

+ve

C

i

i

log

20 log (Vs/Ve)

0 dB c

20 log (AV)

RC

RCavec

jjRCRjC

Z

Z

v

va

a

R

C

e

s 1111


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Montage intégrateur ou passe-bas (2/2) :

R

vS

-

+ve

C

i i

R1

log

20 log (Vs/Ve)

0

20 log (AV)

RC

20 log (R1/R)

/R1C

=> limitation du gain à basses fréquences

CjRR

R

Z

R//Z

v

v

R

C

e

s

1

11

1

log 0

Arg(Vs/Ve)

Inverseur Intégrateur


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Montage dérivateur ou passe-haut (1/2) :

ve

R

vS

-

+

Ci

i

log

20 log (Vs/Ve)

0

20 log (AV)

RC

RCavecjjRC

Z

Z

v

va

aC

R

e

s 1


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Montage dérivateur ou passe-haut (2/2) :

ve

R

vS

-

+

Ci

i

R1

=> limitation du gain à hautes fréquences

CjR

CjR

R

R

CjR

jRC

v

v

e

s

1

1

11 11

log

20 log (Vs/Ve)

20 log (AV)

RC R1C

20 log (R/R1)