LES AMPLIFICATEURS LINÉAIRES INTÉGRÉS : a.l

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KAAOUANA Ismail Lycée Hannibal ARIANA Page 1 LES AMPLIFICATEURS LINÉAIRES INTÉGRÉS : a.l.i A – Mise en situation : Présentation du système : Système de tri avec alimentation et déchargement automatique des postes de destination ( voir livre de cours page 225 ) B – Rappels : Réaliser l’activité 1 page 132 1 – Exemple d’un amplificateur linéaire intégré : A741 linéaire 1 2 3 4 8 7 6 5 Offset e+ e- -Vcc Offset S +Vcc NC 2 - Symbole : +Vcc -Vcc S - + S +Vcc -Vcc - + V + ε - V i+ i- V + - V i+ i- ε 3 – Polarisation et caractéristiques d’un A.L.I : Par une source de tension continue à point milieu ( polarisation symétrique ) - e e + - + + - + - +Vcc -Vcc S Vd Par une source de tension continue ( polarisation asymétrique ) - e e + - + + - + - +Vcc S Vd VEE A741 Le circuit intégré utilisé est du type A 741 comporte 8 broches. 1 – Réglage de décalage de tension. 2 – Entrée inverseuse : e - . 3 – Entrée non inverseuse : e + . 4 – Polarisation Vp ( négative ) : - Vcc ou 0V. 5 – Réglage du décalage en tension. 6 – Sortie. 7 – Polarisation Vp ( positive ) : + Vcc.

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LES AMPLIFICATEURS LINÉAIRES INTÉGRÉS : a.l.i

A – Mise en situation : Présentation du système : Système de tri avec alimentation et

déchargement automatique des postes de destination ( voir livre de cours page 225 )

B – Rappels : Réaliser l’activité 1 page 132

1 – Exemple d’un amplificateur linéaire intégré : A741 linéaire

1 2 3 4

8 7 6 5

Offset e+ e- -Vcc

OffsetS+VccNC

2 - Symbole :

+Vcc

-Vcc

S

-

+

S

+Vcc

-Vcc

-

+

V+

ε

-V

i+

i-V+

-V

i+

i-

ε

3 – Polarisation et caractéristiques d’un A.L.I :

Par une source de tension continue à

point milieu

( polarisation symétrique )

-e

e+

-

++-

+-

+Vcc

-Vcc

SVd

Par une source de tension continue

( polarisation asymétrique )

-e

e+

-

++-

+-

+Vcc

SVd

VEE

A741

Le circuit intégré utilisé est du type A 741

comporte 8 broches.

1 – Réglage de décalage de tension.

2 – Entrée inverseuse : e-.

3 – Entrée non inverseuse : e+.

4 – Polarisation Vp ( négative ) : - Vcc ou 0V.

5 – Réglage du décalage en tension.

6 – Sortie.

7 – Polarisation Vp ( positive ) : + Vcc.

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Amplificateur réel Amplificateur idéal

Une amplification différentielle élevée :

Ads=Vs/Vd.

Une tension différentielle d’entrée :

Vd=VE+- VE

-

Une impédance d’entrée différentielle

élevée :Ze

Une impédance de sortie très faible :Zs

Un courant de décalage très faible :

iE + iE - 0.

+Vsat

vd

vs

-Vsat

Régime linéaire Saturation positiveSaturation négative

0 Vdmax

-Vdmax

Une amplification différentielle infinie : Av0 =

.

Une tension différentielle d’entrée nulle :

Vd=VE+- VE

-= 0

Une impédance d’entrée différentielle

infinie : Ze=

Une impédance de sortie nulle : Zs =0

Un courant de décalage nul : iE + = iE - = 0.

On distingue trois zones :

- une zone linéaire où vs est proportionnelle à vd ( v A vs vo d ) :→ Le régime de

fonctionnement de l’ALI est linéaire ( amplificateur de faibles signaux , additionneur ,

soustracteur , générateur de signaux etc..)

- deux zones de saturations : vs = +Vcc si vd > 0 ; vs = - Vcc si vd < 0 . Si v Vccs , on dit

que l'ALI est saturé : → Fonctionnement en régime de saturation ( ALI en boucle ouverte la

tension de sortie Vs ne peut prendre que deux valeurs : +Vsat ≈ +Vcc ou –Vsat ≈ -Vcc

4 - Schéma équivalent en régime linéaire :

L'ALI est un quadripôle : le dipôle d'entrée est un récepteur et le dipôle de sortie est

générateur :

Schéma équivalent réel : Schéma équivalent idéal :

Ze

Zs+

VdAvo

e+

e-

Vd Vs

5 – Applications ( ALI est supposé parfait et fonctionnant en régime linéaire) Montage n°1 : Amplificateur inverseur

S

-

+

vd

vs

ve

R1

R 2si

eiA

2K

1K

LM324

Montage 2 : Amplificateur non inverseur

-

+

vd

vs

ve

R1

R2

si

ei

1K

1K

( )

Vs

Vsat

Vd

-

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Montage 3 : Sommateur non inverseur

sv

Rv1

Rv2

i

i1

2

-

+ 5

masse 0v

i

1K

1KR

R 1k1k

Vs = ( V1 +V2 )

Montage 4 : Amplificateur soustracteur

sv

R R

ee 1

2R R

i1

i2

i1

i2

-

+

v

Vs = ( e1 – e2 )

Montage 5 : Suiveur de tension : adaptateur d’impédance

-

+

vd

vs

ve

Remarque : Le fonctionnement en régime linéaire s’obtient en réalisant une contre réaction

( rebouclage de la sortie sur l’entrée inverseuse e- direct ou par une résistance pour limiter

l’amplification )

C – Autres applications en régime linéaire : 1 – Montage intégrateur :

vd=0ve sv

R i1 i=0

i1

C

-

+

Opération réalisée : intégration et inversion de ve .

Activité 1 : Ve(t) est une tension carrée alternative d’amplitude 5v et de fréquence f=100Hz | | | | (tensions de polarisation) ; C=1F et R=10kΩ . Tracer Ve(t) et Vs(t)

sur le même graphe . ( utiliser une maquette ou un logiciel de simulation )

Vs

v e

t(ms)

5

-5

2

2

(v )

5 1510

Pour 0ms<t<5ms on ve(t) = 5v

∫ ( )

Pour 5ms<t<10ms on a Ve(t) = -5v

∫ ( )

∫( )

Pour t =5ms Vs = -2,5v Vso = -5v Vs(t) = 0.5.103 t -5

𝑉𝑠 𝑉𝑒

D'après le schéma on peut écrire les équations suivantes

(1) , (2)

( 1) = ( 2)

d'où

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2 – Montage dérivateur :

vd=0ve sv

R

ii=0

i

C-

+

Opération réalisée : dérivation et inversion de ve .

Activité 2 : Ve(t) est une tension triangulaire alternative d’amplitude 5v et de fréquence

f=100Hz | | | | (tensions de polarisation) ; C=1F et R=10kΩ . Tracer Ve(t) et Vs(t)

sur le même graphe . ( utiliser une maquette ou un logiciel de simulation )

Vs

v e

t(ms)

5

-5

-2

2

(v )

5 1510

Pour 0<t<2,5ms , on Ve(t) = at avec

( )

D’où Ve(t)=2.103t

Vs = -RC ( )

= -103.10-6 d(2.103)/dt =-2v

Pour (2,5<t<7,5)ms Vs = 2v avec changement de repère

C- Fonctionnement en régime de saturation : ( Fonction COMPARER ) Il s’obtient sans contre réaction ( fonctionnement en boucle ouverte ) ou avec un rebouclage

de la sortie sur l’entrée nom inverseuse e+ .

La fonction <<COMPARER>> permet de situer un signal d’entrée par rapport à une valeur de

consigne (seuil ) . L’ALI fonctionne donc en régime de commutation .

1 – Montages comparateurs simples ( à un seul seuil )

a – Comparateur non inverseur à un seuil : Activité 1

(1) (2)

(1) = (2)

d'où

Vs Vs

Vseuil

COMPARER

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La tension d’entrée Ve ,appliquée sur l’entrée non inverseuse , est une tension triangulaire

d’amplitude 5v , Vref = 2v Vsat = 10v . En utilisant le logiciel ISIS visualiser sur le même

graphe Ve ,Vref et Vs . En déduire la caractéristique de transfert Vs(t= = Ve(t).

S

-

+

Ve

Vd

Vréf

Vs

Vd = Ve – Vref .

Si Ve > Vref Vd > 0 et Vs = +Vsat

Si Ve < Vref Vd < 0 et Vs = -Vsat

Ve

v e

t

10

-10

-2

2

(v )

5

-5

Vs

v ref

Vref

-v sat=-10v

+Vsat=10v

Ve

Vs

b – Comparateur inverseur à un seuil : Activité 2

La tension d’entrée Ve ,appliquée sur l’entrée inverseuse , est une tension triangulaire

d’amplitude 5v , Vref = 2v , Vsat = 10v . En utilisant le logiciel ISIS visualiser sur le même

graphe Ve ,Vref et Vs . En déduire la caractéristique de transfert Vs(t= = Ve(t).

S

-

+

Ve

VdVréf

Vs

Vd = Vref - Ve .

Si Ve > Vref Vd < 0 et Vs = -Vsat

Si Ve < Vref Vd > 0 et Vs = +Vsat

Ve

v e

t

10

-10

-2

2

(v )

5

-5

Vs

v ref

Vref

-v sat=-10v

+Vsat=10v

Ve

Vs

1 – Montages comparateurs à hystérésis ( à un deux seuils symétriques )

Ces montages comparateurs , appelés aussi <<Trigger de Schmitt) , ont la particularité de

posséder 2 seuils de basculement ( de comparaison ) un à la descente et un à la montée

a - Comparateur inverseur à double seuils : (trigger inverseur ) : activité 3

Saisir par le logiciel ISIS le montage ci-dessous. Appliquer à l’entrée une tension triangulaire

d’amplitude 3v et de fréquence f=100Hz . |+Vcc|=|-Vcc|=12V tensions de polarisation . On

donne R1=1KΩ et R2=10KΩ1

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sv

-

+

R

R

Ve

1

2

Vd

Vs

Ve

SATVRR

R

21

1

SATVRR

R

21

1

-Vsat

+Vsat

t

b - Comparateur non inverseur à double seuils : (trigger non inverseur ) : activité 4

Saisir par le logiciel ISIS le montage ci-dessous. Appliquer à l’entrée une tension triangulaire

d’amplitude 3v et de fréquence f=100Hz . |+Vcc|=|-Vcc|=12V tensions de polarisation . On

donne R1=1KΩ et R2=5KΩ1

-

+R 1

svVe

R 2

Vd

Si Vd >0 V+>0 et Vs = +Vsat 21

21

RR

VeRVsatR

>0

Si Vd <0 V+<0 et Vs = -Vsat 21

21

RR

VeRVsatR

<0

Vs

Ve

-Vsat

+Vsat

t

Vh

Vb

E – Application des A.L.I : convertisseur numérique analogique à résistances pondérées

1 – Principe :Chaque bit du mot binaire à convertir commute un courant à travers une

résistance inversement proportionnelle au poids du bit considéré. L’amplificateur opérationnel

fonctionne en convertisseur courant tension.

Si Vd > 0 Vs = +Vsat soit =VT+

Si Vd < 0 Vs = -Vsat soit =VT-

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R 2R

b3 b2 b1 b0

I2

I3

I

Vréf

Entrée numérique

Iréf4R

I1

8R

I 0 R'

-

+ Vs

I

Sortie analogique

16R 32R 64R 128R

b4b5b6b7

I56I7I 4I

0v

2- Equations :

3 – Exercice1 : Comparateur à deux seuils

A – Structure sans inversion ( trigger non inverseur ) Soit le montage de la Fig1 où ve « attaque » la borne + qui marque la non inversion

S

-

+

ve

vsR1

2R

ie

ie

+12v

-12v2K

1KFig1

S

-

+

ve

vsR1

2R

ie

i

+12v

-12v2K

1KFig 2

i

1 – Donner l’expression de en fonction de R1 , R2 , vs et ve .

2 – Ecrire la condition de basculement marquée par = 0 .

3 – Quelles sont les deux valeurs des tensions seuils ?

4 – Tracer la caractéristique de transfert vs = f (ve) .

B - Structure avec inversion ( trigger non inverseur )

Soit le montage de la Fig2 où ve « attaque » la borne – qui marque l’inversion.

1 – Donner l’expression de en fonction de R1 , R2 , vs et ve .

2 – Ecrire la condition de basculement marquée par = 0 .

3 – Quelles sont les deux valeurs des tensions seuils ?

4 – Tracer la caractéristique de transfert vs = f (ve) .

4 -Exercice 2 : Amplificateur de différence ou différentiel Soit le montage suivant où l’amplificateur opérationnel est supposé parfait et fonctionnant en régime

linéaire ( i+ = i- = 0 ; = v+ - v- = 0 v+ = v- )

10

10

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

0

0

76543210

7543210

7766

554433221100

.128

''

8)22222222(

128

)248163264128

(

).( ; )2

(

)4

( ; )8

( ; )16

( ; )32

( ; )64

( ; )128

(

NVR

RVIRV

NR

VIbbbbbbbb

R

VI

bbbbbbbb

R

VIIIIIIII

R

VbI

R

VbI

R

VbI

R

VbI

R

VbI

R

VbI

R

VbI

R

VbI

réfsS

réfréf

réf

réfréf

réfréfréfréfréfréf

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V-

sv

+

-

0v

i+

i

i-

R1

2R

R4

3R

v v1 2

i

6 – Si R1 = R2 = R3 = R4 = R , donner la nouvelle expression de vs en fonction de v1 et v2 .

7 – Application numérique : on ( ) ( ) , tracer sur le même échelle les

courbes v1 , v2 et v .

1 – Donner l’expression de i en fonction de v1 , v+ et R1 .

2 – Donner une nouvelle expression de i en fonction de v+ , vs et R2 .

3 – Déduire des deux questions précédentes l’expression de v+ en fonction de R1 , R2 , v1 et vs.

4 – En utilisant le diviseur de tensions , donner l’expression de v- en fonction de R4 , R3 et v2 .