Ampli-op

Objectifs : Se familiariser à des applications standards de circuits à amplificateurs opérationnels.

Mettre en évidence les caractéristiques de l’amplificateur opérationnel à travers divers exemples de circuits.

Manipulations expérimentales

1. L’amplificateur inverseur

a) Réaliser le circuit suivant sur une plaquette de montage. Utiliser l’ampli- op TL072. La définition des pattes de branchement et les spécifications du dispositif seront données au laboratoire : on peut les retrouver sur le site http ://www.tp.physique.usherbrooke.ca/Appareils/Ampli-op_TL072/TL072.pdf Ne pas oublier d’alimenter la puce (V_CC+= +15V etVCC−=−15V) à l’aide de la source continue en mode «tracking ».

+ -

Rf

V_o V₁ R¹

Figure 1: Amplificateur inverseur.

V1 : générateurde fonctions Rigol R₁ : résistance au carbone de 1kΩ R_f : boîte à décades

b) Brancher le générateur de fonction sur l’entréeV1. Choisir une onde sinusoïdale de 1.5 Volts (crête à crête) et régler la fréquence de la source à 1 kHz. FixerR₁ à 1 kΩ et Rf à 2 kΩ. Observer V1(t) et Vo(t) simultanément à l’oscilloscope.

Enregistrer ces signaux sur clé USB.

c) Avec la fonctionmesure de l’oscilloscope, mesurer les amplitudes crête à crête de V1(t) et Vo(t) pour plusieurs valeurs de Rf = 1 kΩ, 2 kΩ, 5 kΩ, 10 kΩ et 20 kΩ. Calculer le gain|A=Vo/V1|pour chaque valeur de R_f.

d) Pour R₁ = 1kΩ et R_f = 5kΩ, observer l’effet de fréquence (f = 1,10,50,100,500 et 1000 kHz) sur le gain de cet étage amplificateur. Enregis- trer quelques traces deVo(t) pour les fins de votre discussion.

Résultats et analyse

— Tracer les signaux V1(t) et Vo(t) obtenus à 1 kHz en b) et commenter. Discuter de l’allure des signaux et du déphasage observé entre les signaux d’entrée et de sortie.

— Tracer le gain de cet étage amplificateur en fonction deRf sur un graphique et discu- ter de vos résultats. Noter l’amplitude de sortie maximale et commenter (comparer aux spécifications).

2. L’amplificateur non-inverseur

a) Réaliser le circuit suivant sur une plaquette de montage comme pour la partie 1.

+ -

Rf

V_o V

1

1

R

Figure 2: Amplificateur non-inverseur.

V1 : générateurde fonctions Rigol R1 : résistance au carbone de 1kΩ R_f : boite à décades

b) Brancher le générateur de fonction sur l’entréeV₁. Choisir une onde sinusoïdale de 1.5 Volts (crête à crête) et régler la fréquence de la source à 1 kHz. FixerR₁ à 1 kΩ et R_f à 2 kΩ. Observer V1(t) et Vo(t) simultanément à l’oscilloscope.

Enregistrer ces signaux sur clé USB.

c) Avec la fonctionmesure de l’oscilloscope, mesurer les amplitudes crête à crête de V1(t) etVo(t) et pour plusieurs valeurs de RF = 1 kΩ, 2 kΩ, 5 kΩ, 10 kΩ et 20 kΩ. Calculer le gainA=|V_o/V₁|pour chaque valeur de R_f.

Résultats et analyse

— Tracer les signaux V1(t) et Vo(t) obtenus à 1 kHz en b) et commenter. Discuter de l’allure des signaux et du déphasage observé entre les signaux d’entrée et de sortie.

— Tracer le gain de cet étage amplificateur en fonction de R_f sur un graphique et discuter de vos résultats.

3. Dérivateur

a) Réaliser le circuit dérivateur suivant sur une plaquette de montage comme pour la partie 1. Fixer la valeur deR_f à 10 kΩ et la valeur deC à 10 nF.

+ -

R C

f

V_o V₁

Figure 3: Circuit dérivateur.

V1 : générateurde fonctions Rigol

b) Brancher le générateur de fonction sur l’entréeV1. Choisir une onde sinusoïdale de 1.5 Volts (crête à crête) et régler la fréquence de la source à 1 kHz. Observer V1(t) et Vo(t) simultanément à l’oscilloscope. Enregistrer ces signaux sur clé USB. Répéter pour des signaux d’entrée triangulaire et carré.

c) Revenir en excitation sinusoïdale et en utilisant la fonction mesure de l’oscil- loscope, mesurer les amplitudes crête à crête deV₁(t) etV_o(t) pour différentes valeurs de fréquence : 1, 2, 5, 8, 11, 14, 17, 20 et 23 kHz. Calculer le gain A=|V_o/V₁|pour chaque valeur de fréquence.

Résultats et analyse

— Tracer les signauxV1(t) etVo(t) obtenus à 1 kHz pour chaque type d’onde d’entrée : onde sinusoïdale, onde triangulaire et onde carrée. Décrire l’allure des signaux de sortie et expliquer vos résultats. Le signal de sortie correspond t-il bien à la dérivée du signal d’entrée ?

— Tracer le gain de cet étage amplificateur en fonction de la fréquence et comparer à la prévision théorique.

ÉVALUATION SOMMATIVE DES APPRENTISSAGES AU LABORATORE Note : L’évaluation se fera oralement au cours de la 2e séance de laboratoire.

Circuits 1 et 2 : Étage amplificateur inverseur et non-inverseur

— Présenter vos graphiques du gain en fonction de Rf pour chacun de deux circuits et discuter de vos résultats.

Circuit 3 : Dérivateur

— Présenter les graphiques montrant l’allure de vos signauxV₁(t) etV_o(t) obtenus pour chaque type d’onde d’entrée : onde sinusoïdale, onde triangulaire et onde carrée.

Expliquer.

4. Circuit intégrateur :

a) Réaliser le circuit suivant en utilisant R = 10 kΩ,R_f = 1MΩ etC = 10 nF.

+ -

R C

f

Vo

V₁

0.3µF

R

Figure4: Circuit intégrateur.

V1 : générateurde fonctions Rigol

7.3

Note : Par rapport au circuit intégrateur vu en classe, on note l’ajout d’une résistance Rf

très grande placée en parallèle avecCdans la boucle de contre-réaction de cet étage.

On note aussi l’ajout d’un condensateur de 0.3 mF placé en série avec la résistance d’entrée R. Ces composantes permettent de régler le problème du gain d’étage très élevé de ce circuit à fréquence nulle. L’ajout du condensateur série a pour effet de couper la composante basse fréquence (ou CC) du générateur tandis que l’ajout de la résistance RF a pour effet de limiter le gain de l’étage en basse fréquence.

b) Brancher le générateur de fonction sur l’entréeV1. Choisir une onde sinusoïdale de 1.5 Volts (crête à crête) et régler la fréquence de la source à 1 kHz. Observer V₁(t) et V_o(t) simultanément à l’oscilloscope. Enregistrer ces signaux sur clé USB. Répéter pour des signaux d’entrée triangulaire et carré.

Résultats et analyse

— Tracer vos signauxV₁(t) etV_o(t) obtenus à 1 kHz pour chaque type d’onde d’entrée : onde sinusoïdale, onde triangulaire et onde carrée. Décrire l’allure des signaux de sortie et expliquer vos résultats. Le signal de sortie correspond t-il bien à l’intégrale du signal d’entrée ?

5. Circuit mystère...

a) Réaliser le circuit suivant en utilisant R₁ = 1 kΩ etR₂ = 10 kΩ.

+

- Vo

V₁

R1 R2

Figure 5: Circuit mystère.

N.B. : il y a une différence essentielle entre ce circuit et les précédents, quelle est-elle ?

b) Brancher le générateur de fonction sur l’entrée V₁. Choisir une onde sinusoï- dale et régler la fréquence de la source à 1 kHz. Pour ce circuit, synchroniser l’oscilloscope sur le signal de sourceV₁ (CH1).Varier l’amplitude crête à crête (typiquement entre 1.5 et 3 Volts) et étudier son effet sur la tension de sortie.

Enregistrer au moins deux traces deV1(t) etVo(t) vous permettant d’expliquer le fonctionnement de ce circuit mystère.

Résultats et analyse

— Expliquer le principe de fonctionnement de ce circuit. Tracer les signaux V1(t) et V_o(t) obtenus pour différentes amplitudes du signal d’entrée. Vérifieer vos prédictions théoriques.

avril 2018

7.5