Chap 3 - AOP [PDF]

Zitiervorschau

Université Abdelmalek Essaâdi Ecole Nationale des Sciences Appliquées - Tanger

Pr. Ahmed EL OUALKADI 1ière année du cycle d’ingénieur Année universitaire : 2009/2010

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Introduction

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AOP idéal (ou parfait) On se limitera à l'étude de l'amplificateur opérationnel idéal, c'est à dire sans défaut ni limitation. La raison en est que dans les conditions où l'on utilisera l'AOP, ces défauts et limitations seront négligeables.

Symbole anglo-saxon V+

V+

+Vcc VS

V-

VS

V-Vcc

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AOP idéal (ou parfait) V+

+Vcc VS

V-Vcc Il comporte 5 connexions : - V+ et V- sont respectivement les entrées non inverseuse et inverseuse. La différence de potentielle entre ces deux entrées est appelée tension différentielle d'entrée Vd : Vd = V+ − V- VS est la sortie, - +Vcc et –Vcc correspondent aux tensions d'alimentation de l'AOP. Le plus souvent elles sont de valeur identique (on alimente l'AOP par une alimentation symétrique) mais cela n'est pas une obligation. 4

Caractéristiques de l’AOP idéal Caractéristique d'entrée. L'impédance d'entrée est infinie. La conséquence en est qu'aucun courant n'entre ou ne sort des bornes V+ et V-. V+

V-

- Symétrie parfaite entre les entrées « + » et « - » Caractéristique de sortie La sortie VS doit être considérée comme un pôle d'une source de tension placée entre la masse et VS. C'est une source de tension liée à la tension différentielle d'entrée. Vs = A ( V+ - V- ) - A -> ∞ ; pour toutes les fréquences - Variation instantanée de Vs; Zs=0; Ze-> ∞ 5

Caractéristiques de l’AOP idéal Caractéristique de transfert C'est la courbe représentant la valeur de la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée différentielle.

Elle comporte deux domaines distincts : - Le domaine linéaire pour lequel on à : VS = +∞ Vd - Les domaines de saturation dans lesquels VS ne peut prendre que deux valeurs + Vcc ou –Vcc De cette caractéristique on peut en déduire : - Si VS est différente de +Vcc ou de –Vcc, alors Vd = 0 - Si Vd ≠0, alors VS = +Vcc ou -Vcc 6

Caractéristiques de l’AOP idéal Modèle équivalent On peut donc remplacer l'AOP par le schéma équivalent suivant:

Souvent la tension Vd est notée ε

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Le composant AOP Brochage du circuit intégré µA 741 Composant à 8 broches : - Les broches 4 et 7 servent à l'alimentation, - Les broches 2 et 3 sont les entrées - La broche 6 correspond à la sortie. - Les broches 1 et 5 sont parfois utilisables pour la correction d'offset La broche 8 est non utilisée. La distance entre les broches d’un même coté vaut 1/10 de pouce, celle entre les broches de chaque coté vaut 3/10 de pouces (1 pouce = 25,4 mm).

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AOP réel Schéma détaillé Schéma simplifié du 741

-Un AOP c’est: -Un étage différentiel -Un étage émetteur commun (gain en tension) -Un étage PUSH PULL (collecteur commun pour un gain en courant) 9

Caractéristiques de l’AOP Caractéristique de transfert statique: L'amplification statique A0 étant très élevée, une très faible tension e suffit pour que Vs soit en saturation. Ex: Avec A0= 200 000, e est alors compris entre +/- (Vsat/A0) soit si Vsat est voisin de 15V, e = 75µV.

Pour le fonctionnement dans la zone linéaire (en dehors des plages dites de 10 "saturation" = non saturée), on posera e = 0.

Caractéristiques de l’AOP Dans la réalité, il est parfois nécessaire de tenir compte de la tension de décalage ramenée à l'entrée (dite tension d'offset Voff), qui crée un décalage de la caractéristique de transfert de l'AOP vers la droite ou vers la gauche autour de l'origine. L'influence de cette tension sur le montage peut être étudiée plus facilement en plaçant une source de tension Voff sur l'entrée e+ ou e- de l'AOP et en considérant alors ce dernier comme idéal.

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AOP réel Imperfections sur les entrées

Cause

Tension de Décalage

Courant de Polarisation

Courant de Décalage

Impédance d’entrée

Dissymétrie de l’étage différentiel

Nécessite de polarisation

Dissymétrie de l’étage différentiel

Schéma équivalent du composant d’entrée

Id = | I + - I- |

Modélisation

Conséquences

Une partie de Vd se retrouve en sortie (éventuellement amplifiée par le gain du montage)

Décalage de la tension de sortie

Idem Vd

Réduit l’impédance d’entrée

Remédes

Compensation (int. ou ext.) Éviter les gains trop importants (multiplier le nb d’étages)

Les bornes « + » et « - » doivent voir la même résistance

Idem Vd Éviter les résistances trop importantes

En tenir compte …

Ordres de Grandeur

25 µV < Vd < 100 µV mV, possibilité de descendre à 1µV sur ampli « chopper »

0,1 nA < Ip < 0,2 µA

Peut atteindre 50% de Ip

MΩ < Red < 1012Ω

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AOP réel Imperfections sur les caractéristiques de transfert Gain statique

Réponse en fréquence (petits signaux)

Slew Rate Grands signaux

Taux de rejection de mode commun

Cause

Impossibilité de obtenir des gains 

Éléments parasites capacitifs (Effet Miller)

Saturation du 1er étage (Ampli diff.)

Difficulté de faire une vraie différence.

Modélisation

Valeur finie pour Ad

A=Ad (V+ - V-) +Amc[(V+ + V-) / 2 ]

TRMC =20log (Ad / Amc)

Conséquences

V+ peut être différent de V-

Produit (gain BP) =cte

La sortie ne peut pas suivre de brusques variations du signal d’entrée

Pb important en montage amplificateur différentiel

Remédes

Éviter les gains de montage trop importants (multiplier les étages)

Compensation par avance de phase (condensateur) !Risque de instabilité Choix du CI

Compensation par composant externe Choix du CI

Choix du CI

Ordre de grandeur

105 < A0 < 107

1Mhz < Ad*BP < 100Mhz

1V/µs < SR < 500V/µs

90dB < TRMC < 140dB

Souvent exprimé en dB

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AOP réel Imperfections sur les sorties Résistance de sortie

Tension maximale de sortie

Résistance de sortie du montage pushpull

Chute de tension à l’état passant des transistors de sortie

Conséquence

Modeste, car Vs est asservie Limitation de la tension maximale de sortie

Limitation de la tension maximale de sortie

Remède

Éviter les courants de sortie trop importants

Bon choix de la tension d’alim. Choix du CI (Output Voltage Swing) Choix de l’impédance de charge (éviter < 1KΩ)

Ordre de grandeur

0,1 < Rs < 10Ω

Chute de 20% de Valim

Cause

Modélisation

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Etude théorique des AOPs

On considère l’AOP dans un premier temps comme parfait pour étudier successivement les « différentes » imperfections Afin de contrôler la valeur de la tension de sortie, il est nécessaire de réaliser des montages pour lesquels le coefficient l'amplification n'est pas infinie mais limitée à une valeur déterminée par le concepteur. On réalise donc des montages qui mettent en oeuvre des contre réactions négatives : on réinjecte une partie de la tension de sortie sur l'entrée inverseuse.

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Utilisation des AOPs Circuit suiveur de tension

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Utilisation des AOPs Amplificateur inverseur

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Utilisation des AOPs Amplificateur non-inverseur

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Utilisation des AOPs Sommateur inverseur

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Utilisation des AOPs Soustracteur

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Utilisation des AOPs Convertisseur courant-tension

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Utilisation des AOPs Dérivateur

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Utilisation des AOPs Intégrateur

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Utilisation des AOPs Convertisseur numérique-analogique

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