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TSI 20-21
AMPLIFICATEUR LINEAIRE INTEGRE (ex AOp )
• Les premiers circuits intégrés sont apparus vers 1962.
• Ils permettent la réalisation de fonctions complexes sous des volumes réduits, avec une très faible consommation une très grande fiabilité un coût très bas.
1969 : une dizaine de transistors par puce (1000 en 1970) 1990 : 1 million (4 à 5 millions sur 1mm de diamètre) 2005 : 1 milliard …
• L’amplificateur linéaire intégré est un système électronique complexe, permettant de réaliser des opérations mathématiques simples sur les signaux électriques, telles que des opérations logiques, des amplifications, des intégrations, des dérivations…
Il est obtenu par intégration sur un même substrat de transistors, diodes, condensateurs et résistances.
1. PRESENTATION DE L’AMPLIFICATEUR DE DIFFERENCE INTEGRE
o L’amplificateur linéaire intégré (ALI) se présente sous la forme d’une petite boîte noire à 8 pattes (pin) :
Marque permettant l’orientation de l’ALI
o C’est un composant actif, on doit lui fournir de l’énergie, on utilise une double alimentation continue : la borne –15 V est connectée à la patte 4, la borne + 15 V à la patte 7.
Ces connexions sont indispensables au fonctionnement de l’amplificateur opérationnel.
Elles doivent être réalisées AVANT d’insérer l’ALI dans un montage.
Elles ne seront pas indiquées explicitement sur le schéma du montage.
ATTENTION : toute erreur de branchement des tensions d’alimentation entraîne la destruction immédiate de l’ALI.
o L’amplificateur linéaire intégré est un composant électronique caractérisé par :
• L’entrée E+ : patte 3
• L’entrée E - : patte 2
• La sortie (output) : patte 6
On note = VE+ - VE- la différence de potentiel entre les deux bornes d’entrée i+ et i- les intensités des courants de polarisation
iS l’intensité du courant en sortie On notera indifféremment : us ou Vs, car …
o Les pattes 1 et 5 permettent de compenser les petits défauts en tension, dus à la construction (offset) ;elles ne seront pas utilisées dans les montages cette année.
1 4
8 7 6 5
3 2
2
2. MODELE de l’ALI du 1er ORDRE
o Domaine de fonctionnement linéaire
- La relation entre l’entrée différentielle et la sortie dans le domaine de fonctionnement linéaire est us (t) + 𝐝𝐮𝐬(𝐭)
𝐝𝐭 = µ0(t) = 10 ms µ0 ≈ 104 à 106.
- en régime sinusoïdal : us(t) = UM cos(t) , on introduit la notation complexe : us(t) = et d
dt
(
us(t)) = la fonction de transfert est us(jω)ε(jω) = filtre …..
o Domaine de fonctionnement saturé :
- La tension de sortie est limitée, elle ne peut dépasser en valeur absolue la tension de saturation Vsat, légèrement inférieure à la tension d’alimentation : - Vsat < us < Vsat
- L’intensité du courant délivré en sortie est elle aussi limitée à qq dizaines de mA On la nomme output shortcircuit current : mesuré …
• Caractéristique
statique de l’ALI réel
(en régime continu ou à faible fréquence
) :• En régime saturé, Vsat15 V (tension alimentation)
• En régime linéaire, < mV (10-4V) :
peut être négligé devant les autres tensions
• Caractéristique
statique de l’ALI idéal de gain infini
(en régime continu ou à faible fréquence) :• Résistance d’entrée de l’AO : Re
Re = ε
i valeur 1 à 106 M
On considère Re et les intensités i+ et i-
• Résistance de sortie de l’AO :
Rs = s
is si est nul
Rs : qq dizaines d’ohms Rs = 0 dans le modèle de l’Ali idéal
• Vitesse de balayage ou slew rate : toute puce électronique admet une limitation non linéaire en fréquence (quelques V/µs) , voir TP
iS
VS
RS
i Régime linéaire
Régime saturé
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3. MONTAGE AMPLIFICATEUR NON INVERSEUR
Générateur Amplificateur Charge
non-inverseur
a. Schéma bloc en régime sinusoïdal : on peut identifier une chaine directe (l’ALI) et une chaine de retour (résistances R1 et R2)
b. Stabilité en cas de rétroaction de la sortie sur E- :
déterminer l’équation différentielle vérifiée par Vs en régime linéaire variable, penser à partir de us (t) + 𝒅𝒖𝒔(𝒕)
𝒅𝒕 = µ0(t)
Conclusion :
c. Stabilité en cas de rétroaction de la sortie sur E+ :
déterminer l’équation différentielle vérifiée par Vs en régime linéaire variable,
Conclusion
Vs
Ve
R1
RC
eg
Rg R2
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d. Etablir la fonction de transfert Vs(jω)
Ve(jω)du système bouclé en régime sinusoidal Démontrer la propriété : le produit gain x bande passante est constant et égal à µ0/
e. Dans le cas d’un ALI idéal de gain infini en régime linéaire établir l’expression de Vs en fonction de Ve, R1 et R2.
Conclusion :
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On se place ci-après dans le cas d’un ALI idéal de gain infini, fonctionnant en régime linéaire
4. MONTAGE SUIVEURGénérateur Montage suiveur Charge L’Ali fonctionne en régime linéaire donc
Expression de us en fonction de ue
Ce montage est appelé suiveur car la sortie us(t) Intérêt du suiveur :
5. MONTAGE AMPLIFICATEUR INVERSEUR
R1 = 1k, R2 = 4,7 k R’ = 1k RC infinie, f = 500Hz.
R’ permet de minimiser l’effet des décalages en courants i+ et i-(admis).
Générateur Amplificateur inverseur Charge
L’ALI est idéal donc
L’ALI est idéal, de gain infini et fonctionne en régime linéaire donc Loi des nœuds à l’entrée inverseuse :
Ce montage est un amplificateur de tension :
• inverseur : VS et Ve sont de signes
• amplification :
RC
RC
Rg
eg
ue Vu ee
us Rc C
R’
eg
Rg
R2
R1
Ve Vs RC
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6. COMPARATEURS DE TENSION ALI idéal de gain infini en régime SATURE
A. Comparateur simple.
Un comparateur simple réalise un test de comparaison entre la tension d'entrée ve appliquée à l'une des entrées de l'ALI et une tension de référence constante Vref appliquée à l'autre entrée de l'Ali.
ve
Vref vs +
-
comparateur non inverseur
ve
Vref vs
+
-
comparateur inverseur
o Montrer que la sortie est saturée en permanence, excepté lors de très brèves durées de commutation entre Vsat+ et -Vsat-.
o Tracer la caractéristique vs fonction de ve dans les deux cas
Vref appliqué à E+ Vref appliqué à E-
o On suppose ve = Vem cos(t) , avec Vem > Vref > 0 , tracer ve et vs en fonction du temps Vref appliqué à E+ Vref appliqué à E-
Le signal de sortie est dit "logique" car il ne peut prendre que deux valeurs.
Applications Détection d’un niveau de tension de référence
Transformation d’un signal analogique variable en un signal numérique à deux niveaux Les caractéristiques du comparateur simple sont médiocres, il est utilisé seulement en basse fréquence.
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B. Comparateur à hystérésis.
(ou à seuil de basculement, ou "trigger de Schmitt").
Montage : Comparateur inverseur à hystérésis.
Le montage ressemble à celui de l'amplificateur non inverseur, mais il ne doit pas être confondu avec ce dernier : le rôle des entrées E+ et E - a été inversé.
Le système est instable et l’ALI fonctionne en saturation.
Etude théorique.
On posera pour simplifier les expressions : V0 = R R1
1 + R2 Vsat
o Ali idéal : donc donc V+ =
o = V+ - V- =
o 1er cas vs = + Vsat : pour quel intervalle de valeurs de ve ce fonctionnement est-il possible ?
o 2ème cas vs = - Vsat : pour quel intervalle de valeurs de ve ce fonctionnement est-il possible ?
o En déduire la caractéristique vs fct de ve (graphe ci-dessous à gauche)
o En s’aidant de cette caractéristique, décrire l’évolution de Vs au cours du temps, avec Ve = Vemcos(t) Tracer ve et vs en fonction du temps (graphe ci-dessous à droite)
o
-
+
R1
R2
Rg
eg
ve
vs
Ye
Ys
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Variante : comparateur non inverseur à hystérésis
Reprendre le même raisonnement sur le montage ci-dessous R2
R1
ue us
eref
+
