Blue Flower

Chapitre 2 de la deuxième partie

Amplificateur intégré dit "opérationnel" ou AOP

Question posée à l'examen:

 


La tension de sortie Vs, de ce montage est de:

  • A: 0,1v
  • B:1,5v Bonne réponse
  • C: 20dB
  • D: 16v

Explications:

Ce schéma simplifié représente un montage amplificateur dit inverseur, puisque le bouclage se fait entre la sortie et l'entrée (-) de l'amplificateur. La tension d'entrée est appliquée sur l'entrée moins de l'Aop.

La tension de sortie est égale à la tension d'entrée multipliée par l'amplification du montage

A= -(R2/R1)  soit -15.

La tension d'entrée étant sinusoïdale, le signe moins traduit une opposition de phase entre entrée et sortie.

La tension de sortie est de 0,1v x 15 = 1,5v.


Fonctionnement d'un amplificateur intégré linéaire

(Aop pour simplifier et pour l'usage courant)

Ce composant est un composant élémentaire d'étude qu'il ne faut pas confondre avec les composants complexes intégrés, comme les amplificateurs BF, HF, VHF, UHF, SFH, etc,  que l'on peut utiliser dans des réalisations.

L'AOP est un amplificateur linéaire dont la tension de sortie dépend de la différence entre les tensions présente sur les deux entrées:


 

soit:

Vs = Ad x (e+ - e-)

Ad est l'amplification différentielle est c'est un terme très grand en fonctionnement courant, c'est à dire dans la bade passante de l'amplificateur.

Pour idéaliser, on considère que la bande passante est presque infinie (!!!) et que ce terme Ad est aussi infini. Ce qui revient à dire qu'en fonctionnement linéaire (e+) - (e-) = 0

et donc aussi  que (e+) = (e-)

Mais attention : en fonctionnement linéaire seulement.

En réalité la bande passante de l'Aop est quasiment nulle !!!

Nous allons voir comment reconnaître le fonctionnement linéaire.

L'indication que donne le schéma est le bouclage ou non de l'amplificateur. Y a t il une liaison électrique plus ou moins complexe entre la sortie et l'une ou l'autre entrée?

Le montage suivant n'a pas de bouclage sortie/entrée, il est en "boucle ouverte" et fonctionne en comparateur.

Quelques expériences avec PSPICE vont nous éclaircir sur ce point.

Schéma 1:


 

L'amplificateur est alimenté en tension symétrique +/-10v.

Il n'y a pas de bouclage entre la sortie et une des entrées.

La résistance R2 est une charge nécessaire pour que le simulateur puisse calculer le tension de sortie.

La simulation temporelle nous donne les résultats suivants:

La tension de sortie oscille entre quasiment (tension de déchet) +10v et -10v.

Le basculement se fait théoriquement lorsque Ve passe à 0v (C'est la tension présente sur l'entrée +). On pourrait ajouter un générateur de tension sur cette entrée pour faire évoluer cette tension de référence.

On peut aussi permuter les deux entrées pour observer le changement de comportement du montage.

Le basculement n'est pas instantané (slew rate) du fait de la constitution interne de l'Aop.

Le montage fonctionne en comparateur "inverseur" (si la tension est positive à l'entrée, elle est négative à la sortie...

Bouclage par l'entrée (-):

Si nous observons sur le schéma un bouclage entre sortie et entrée (-) alors le fonctionnement sera linéaire, dans les limites des tensions d'alimentations en particulier.

Observons les deux montages suivants:

- Montage 1:

On remarque le bouclage sortie/entrée(-) par R2.

Un calcul simple nous donne que l'amplification Vs/Ve = -(R2/R1).

Pour la simulation V3 est défini avec V=0,1v max F = 1000 Hz, pas de décalage continu (offset).

Regardons ce que donne le résultat de la simulation:

En rouge la tension d'entrée (0,1v max et 1 ms de période)

En sortie, la courbe verte: l'amplitude maximum est de 1V et de même période, mais elle est en opposition de phase avec l'entrée. C'est la traduction physique du fameux signe "moins".

L'amplification est bien égale à 10 en valeur absolue soit G= 20dB.

C'est un montage amplificateur inverseur

Montage 2:

Remarquons bien que le bouclage est toujours fait entre sortie et entrée (-) par R2. La différence est que Ve est appliqué sur l'entrée (+).

Un calcul aussi simple que dans le premier exemple nous donnera que l'amplification est:

A = 1 + R2/R1, soi avec les valeurs utilisées A = 11

Lançons la simulation et observons le résultat:

Toujours en rouge la représentation de la tenson d'entrée de 0,1v max et de fréquence 1000 Hz.

En sortie la tension (courbe verte) a une amplitude de 1,1v (11x 0,1). Par rapport au premier montage tension d'entrée et de sortie sont en phase.

C'est un montage amplificateur non inverseur

Bouclage par entrée (+):

Par comparaison aux montages précédents, le bouclage maintenant va se faire par R2 entre la sortie et l'entrée (+). Observez bien la différence :

Montage 3:

Les mêmes valeurs de résistance sont utilisées, mais V3 est réglé à une amplitude de 1V au lieu de 0,1v.

Lançons la simulation et regardons le résultat:

La tension de sortie ne prend que deux valeurs + et - Vcc (moins une tension de déchet).

- Basculement vers +Vcc pour Ve = 0,9v

- Basculement vers -Vcc pour Ve = - 0,9v

Nous observons un fonctionnement en comparateur (tout ou rien) pour deux tensions d'entrée différentes (deux seuils) La différence entre ces deux seuils s'appelle : hystérésis.

C'est un montage comparateur à Hystérésis non inverseur

(bascule de Schmidt....).

Montage 4:

Le bouclage est toujours fait par R2 entre la sortie et l'entrée (+), mais cette fois ci, Ve est branché sur l'entrée (-).

Lançons la simulation:

Le fonctionnement est similaire à celui du montage précédent.

Les seuils sont les mêmes.

Le basculement de la sortie entre + et - Vcc est inversé par rapport au montage 3.

-Basculement de +VCC vers -Vcc pour V3=+0,9v

- Basculement de -Vcc vers +Vcc pour V3=-0,9V

C'est un montage comparateur à Hystérésis inverseur

Reste maintenant à étudier les cas ou le bouclage se fait à la fois vers l'entrée (+) et aussi vers l'entrée (-).....

Bouclage sur entrée (+) et sur entrée (-):

Montage 5:

Très souvent lorsque le bouclage se fait par liaisons entre sortie et entrées (+) et (-), nous obtenons un montage électriquement instable.

Le montage astable:

R2 et R3 assurent la réaction positive, R4 et C1 donnent une "constante de temps" qui définit en partie la fréquence d'oscillation du montage.

Observation du signal Vs et de Ve (tension aux bornes de C1):

 

En rouge la tension Ve aux bornes de C1. Nous observons la charge et la décharge de C1 à travers la résistance R4. L'inversion du sens de charge de C1 se fait lorsque la tension à ses bornes passe les seuils fixés par R2 et R3.

En vert, la tension de sortie oscille entre +10 et -10v,avec une période de 0,4ms environ. (2500Hz).

Montage 6:

Le bouclage est encore plus compliqué. Une démonstration permettrait de montrer une réaction positive sélective (filtre de Wien) qui, dans certaines conditions, permet de produire des oscillations qui théoriquement sont sinusoïdales.

Le couplage de diodes autorise le démarrage des oscillations.

Après  un temps d'établissement, l'oscillation prend naissance avec une période de 0,65 ms (1538 Hz).

Les utilisations de ce composant sont très nombreuses. Elles ne sont pas au programme de l'examen radioamateur. Mais l'utilisation du simulateur PSPICE nous procure beaucoup de simplicité dans l'expérimentation. N'oubliez pas néanmoins que, seul, le montage réel donne le vrai résultat.

A vous de jouer maintenant!!! Hi!!!