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Amplificateur opérationnel

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  • Amplificateur oprationnel

  • Bref rappelLes amplificateurs oprationnels ont t conus pour faciliter la ralisation des montages lectroniques (amplification ,filtrage et dautres fonctions). Ils ont aussi permis avant larrive des calculateurs la rsolution des quations diffrentiels et des systmes dquations.Actuellement et avec lavancement des progrs technologiques nous avons sur le march des composants ,des produits trs performants qui permettent de raliser plusieurs fonctions lectroniques.

  • LAO utilis en trs basse frquence, avec des signaux de sortie dpassant le volt et un faible gain en tension en boucle ferme , peut tre ralis partie du model idal sans souci technologique. Par contre ds la frquence augmente , que le niveau de sortie diminue et que le gain augmente, les nombreuses imperfections de lAO se manifestent et il faut alors connaitre leurs origines afin de mieux choisir les AO les mieux adapts pour lutilisation souhaite.Dans ce cours nous allons passer en revu les diffrents paramtres des amplificateurs oprationnels rels , on va les dfinir ,connaitre leurs influences et les mthodes de les mesurer ainsi que les astuces pour les viter

  • Un tage d'entre diffrentiel (T1 et T2), avec sa charge d'metteurs (source de courant I1) et ses charges de collecteurs (miroir de courant T3 et T4). Un tage de gain form de T5 et de sa charge active I2

    Un tage de sortie push pull constitu par les transistors T6 et T7 polariss par les diodes D1 et D2. Avant d'attaquer tous les dfauts de l'amplificateur rel, et afin de mieux les comprendre, nous allons tudier un schma de principe de cet amplificateur. Ce schma n'est videmment pas un schma rel, mais il contient tous les ingrdients fondamentaux d'un amplificateur

  • tage diffrentiel:On a reprsent ici un tage diffrentiel classique: deux transistors monts dans une configuration de type metteur commun (entre sur la base, sortie sur le collecteur) avec les deux metteurs relis une source de courant. Cette source I1 doit tre la plus proche possible de l'idal, car la valeur de sa rsistance interne dtermine le taux de rjection du mode commun. Les charges de collecteur ne sont pas des rsistances, mais des charges actives, constitues des transistors T3 et T4 monts en miroir de courant: le transistor T3 est utilis en diode (le collecteur est reli la base), et dtermine le potentiel de base de T4, donc son courant de collecteur. Sur le circuit intgr, on peut construire T3 et T4 de manire ce qu'ils aient les mmes caractristiques de gain, Vbe... (idem pour T1 et T2): le courant dans la branche T1/T3 sera le mme que celui de la branche T2/T4. On dmontre que le miroir de courant est une astuce permettant de doubler le gain de l'tage diffrentiel. La sortie de cet tage se fait sur le collecteur de T2, et c'est la rsistance dynamique de T4 (le 1/h22) qui charge T2. Le gain sera donc plus lev que si on avait une simple rsistance la place de T4. Le gain de cet tage est de l'ordre de 100. L'impdance d'entre diffrentielle de ce montage est gale 2h11 (le h11 de T1 ou de T2). Pour que cette impdance soit grande (1M pour un A741), il faut que le courant de polarisation de base soit trs faible (quelque dizaines de nA). Les amplificateurs plus rcents font en gnral appel des transistors FET en entre (LF356 de NS, TL081 de Texas...) voire MOS (LMC660). La structure de l'tage reste similaire. En pratique, les montages sont un peu plus compliqus, et les transistors T1 et T2 sont souvent remplacs par 4 transistors, deux collecteurs communs qui attaquent deux bases communes. C'est une astuce technologique permettant d'amliorer la plage d'entre diffrentielle de l'ampli.

  • L'tage de gain:Le deuxime tage est trs simple, c'est un montage metteur commun constitu de T5, charg par une source de courant (en gnral, c'est encore un montage miroir de courant): la charge dynamique de T5 est donc la rsistance parallle de la source de courant I2; le gain est trs lev (environ 1000, ce qui fait un ordre de grandeur de 105 pour l'ensemble!). On note la capacit C entre base et collecteur du transistor T5: c'est une capacit destine la compensation de l'amplificateur; la frquence de cassure de ce filtre est trs basse (quelques dizaines d'hertz) et permet la plupart des amplis d'tre inconditionnellement stable. Cette capacit utilise leffet Miller : le filtre est constitu de l'impdance de sortie du premier tage (trs leve) et de la capacit C, le tout multiplie par le gain en tension du deuxime tage. On peut obtenir une frquence de cassure trs faible avec une capacit trs petite (quelques dizaines de pF), qui peut ainsi tre intgre sur la puce. L'tage de sortie:C'est un tage push pull constitu de deux transistors complmentaires qui fonctionnent en collecteur commun, T7 pour les alternances positives, et T8 pour les alternances ngatives. Ces transistors sont polariss par les deux diodes D1 et D2 afin de limiter la distorsion de croisement. Du point de vue petits signaux, cet tage de sortie (et sa charge, qui est dtermine par l'utilisation que l'on fait de l'ampli, et donc, va varier) vient se mettre en parallle sur la charge de collecteur de T5: le gain de l'tage intermdiaire va ainsi dpendre de la charge qu'on connectera en sortie de l'ampli. Dans les amplis rels, l'tage de sortie est plus complexe, et comprend notamment des tages de protection contre les courts-circuits, qui vont limiter le courant de sortie de l'ampli des valeurs raisonnables.

  • Caractristiques denteTension de dcalage ou offset voltage:C'est un des principaux dfauts de l'amplificateur rel, et pour des forts gains en tension et/ou des faibles tensions d'entre, on devra en tenir compte. Cette tension est due au fait que les transistors d'entre ne sont pas rigoureusement identiques (T1 et T2). pour obtenir une tension nulle en sortie, il faudra appliquer une tension diffrentielle non nulle l'entre, cette tension tant l'cart de Vbe de T1 et T2 courant de collecteur donn. On la reprsente en gnral par le schma suivant:

  • Avec une telle relation, quand l'ampli fonctionne en mode linaire, on n'a plus V+ = V- , mais V+ = V-+Vd. A noter que Vd est une valeur algbrique, et peut tre positive ou ngative.Lordre de grandeur de Vd est 2.5 mV pour un AO base de transistors bipolaires , de 5 mV pour les AO base des transistors effet de champ de la troisime gnration et de 0.2 mV pour ceux de la quatrime gnrationInfluence sur la sortie:Pour un AO idal, lorsque les entres V+ = V- =0 la sortie est nulle . Ceci nest plus vrai dans la pratique cause de la tension de dcalage. Pour mettre en vidence cette diffrence on va raisonner sur le

  • montage inverseur:Vd=Sd(R1/R1+R2)= Sd.B Sd=Vd/B Pour un Vd=10mV et un gain G=-1= R2/R1 B=0.5 Sd=20mV Pour un Vd=10mV et un gain G=-1000= R2/R1B=0.001 Sd=10V

    Mthode de mesure: la tension Vd est dautant plus facile mesurer que celle-ci est grande, il ya plusieurs procds de mesure ,on va en citer une

  • La capacit permet de limiter le bruit trs basse frquence. La tension de sortie: S=Vd (R1+R2)/R1La mesure de s permet de dduire VdRemarque : si on monte lAO en comparateur la tension Vd est celle qui permet de faire basculer la sortie de +Vsat -Vsat ou rciproquement .

  • 2-Courant de polarisation- bias current: IpPour un AO idal on considre que les courants aux entres V+ et V- sont nuls, en ralit ces courants sont diffrents de zro et sont aussi dus la dissymtrie de ltage dentr. On dfinit le courant de polarisation Ip comme tant la valeur moyenne des deux courants:Ip=(I+ +I- )/2

  • Influence sur la sortie:On dterminera cette influence des courants de polarisation sur la sortie dun montage inverseur dont lentre est nulle:Vs=R2I+R1(I - I-)R1(I - I-)+RI+ = 0Si I- = I+ = Ip pour avoir une erreur nulle en sortie on doit choisir:R=R1 R2/(R1 +R2)

  • Remarques:Les courants de polarisation sont des courants continus de repos. Ils ne doivent tre interrompus quel que soit le fonctionnement linaire ou non de lAO. les entres (-) et (+) doivent voir la mme valeur rsistive par rapport la masse.Mthodes de mesure de Ip:Elle dpend de son ordre de grandeur et donc de la technologie utilis pour fabriquer les AO.Dans le cas des transistors bipolaires I- et I+ sont de lordre de 1nA 1A. La mesure de ces courants est obtenu par le montage suivant:

  • Pour k2 ouvert et k1 fermV+ V- = Vs = - R I+ I+ =-Vs /RPour k2 ferm et k1 fermV+ V- = 0 Vs =RI-I- = Vs /RDans le cas des transistors FET I- et I+ sont de lordre du pico ampres et varient avec la temprature. Pour les mesurer on fait le montage suivant: Pour k2 ouvert et k1 fermV+ V- = Vs = - (I+ /C)t I+ =-C.Vs /tPour k2 ferm et k1 fermV+ V- = Vs Vs = (I- /C)t I- = C.Vs /tUne simultane de Vs et du temps t permet dobtenir I+ ou I- .

  • Plusieurs avances technologiques ont permis de rduire ces courants de polarisation, des tableaux des diffrents constructeurs facilitent le choix du composant en fonction de lutilisation souhaite.3-Courant de dcalage: IdCest la valeur absolue de la diffrence des courants de polarisation:Id=| I- - I+ |Comme la tension de dcalage Vd le courant Id volue en fonction de la temprature, de lalimentation et du temps (vieillissement).La compensation de Vd et de Id peut tre obtenue de deux manires diffrentes: Une compensation interne lors de la

  • fabrication du circuit intgr de lAO. Pour en savoir plus sur la nature de cette compensation on doit consulter les catalogues des fabricants. 2 . Une compensation externe qui prvoit lajout de composants externes conseille en gnral par le constructeur. Cette compensation est prvue dans les boitiers de circuits intgrs qui renferment quatre AO. De nombreux schmas existent dans des revues spcialises, voici un type de compensation pour un montage additionneur ou soustracteur quon peut tu

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