AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL “RÉEL”

AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL “RÉEL” - TP1

1. Principe

• L'amplificateur opérationnel (A.O.) “idéal” est caractérisé par :

◊	des courants d'entrée (ou “courants de polarisation”) $I_{+}$ et $I_{-}$ nuls (résistances d'entrée infinies) ;
◊	une différence de potentiel entre les deux entrées $ε=V_{+}-V_{-}$ nulle en mode linéaire ;
◊	une tension de sortie $v_s=±A$ (tension d'alimentation) en mode “saturé” ;
◊	une résistance de sortie nulle (générateur de tension parfait).

• L’amplificateur opérationnel “réel” correspond à une description plus complète, qui peut être caractérisée par les “défauts principaux” suivants :

◊	des courants de polarisation très faibles mais non nuls (de l'ordre du nanoampère) ;
◊	une différence de potentiel $ε$ telle que, en mode linéaire : $v_s=μ \:ε$ avec $μ≈{10}^5$ à ${10}^6$ ;
◊	une tension de sortie $v_s=±A$ en mode “saturé en tension” ;
◊	une tension de décalage des entrées, si le réglage de l'A.O. n'est pas exact : $v_s=μ .(ε+V_{de} )$ ; ce qui peut aussi s’écrire : $v_s=μ \:ε+V_{ds}$ (c'est-à-dire $v_s≠0$ pour $ε=0$ ) ;
◊	une “vitesse de balayage” en sortie $\displaystyle \frac{dv_s}{dt}=±β$ (avec $β≈{10}^6$ à ${10}^7 \: \mathrm{V.s^{-1}}$ ) en mode “saturé en balayage” ;
◊	une caractéristique de sortie de la forme : $v_s=±(A-ρ \:I_s )$ (avec $ρ≈350 \:\mathrm{Ω}$ ) en mode “saturé en courant de sortie”.

2. Manipulations

2.1. Tension de décalage des entrées

• Réaliser un montage suiveur de tension et le raccorder au potentiel de la masse (

V_e=0

).

• Si les entrées sont bien “équilibrées” on doit obtenir

V_s=0

mais en réalité la moindre dissymétrie de fabrication entre les deux entrées provoque entre elles une différence de potentiel “interne” à l'A.O. (

V_{de}

). Par suite, on observe généralement

V_s=V_{ds}=μ \:V_{de}≠0

• Si l’A.O. dispose d’un bouton de compensation du décalage (souvent une petite vis sur le “circuit intégré”), ajuster sa position pour annuler la tension de décalage

V_{ds}

mesurée en sortie.

2.2. Limitation en courant de sortie

• Réaliser un montage “amplificateur non inverseur” branché en entrée sur un générateur de tension réglable et branché en sortie sur un résistor “de charge” réglable, en série avec un ampèremètre.

• Le potentiel de sortie “idéal”

V_{s0}

doit pouvoir être réglé entre

0

+A

(≈ tension d'alimentation de l'A.O.) ; si l'alimentation réglable est un GBF limité à

10 \:\mathrm{V}

alors que

A≈15 \:\mathrm{V}

, il suffit d'utiliser un montage amplificateur de gain

\displaystyle G=\frac{R_1+R_2}{R_2} =2

avec

R_1=R_2=100 \:\mathrm{kΩ}

.

◊ remarque : il faut s'assurer que le courant circulant dans

R_1

R_2

est négligeable en comparaison de celui circulant dans la résistance de charge

R_c

; donc se limiter à des valeurs

R_c≤5 \:\mathrm{kΩ}

.

• Brancher un voltmètre en parallèle sur la sortie, en disposition “courte dérivation” (on peut utiliser un voltmètre “idéal” pour négliger le courant qui le traverse, alors qu'on ne dispose pas d'ampèremètre idéal).

• Pour une valeur initiale

V_{s0}

donnée (par exemple

12 \:\mathrm{V}

), mesurée avec

R_c=∞

(en débranchant

R_c

), mesurer

V_s

en fonction du courant de sortie

I_s

(qui augmente au fur et à mesure qu'on diminue

R_c

• La courbe de variation a généralement l'allure ci-contre (dépendant plus ou moins du modèle d'A.O. utilisé).

Pour

I_s

faible la sortie est un générateur de tension parfait (

V_s

indépendant de

I_s

, ce qui correspond à une résistance de sortie nulle) ; mais quand

I_s

croît, on observe une saturation en tension de la forme :

V_s=±(A-ρ \:I_s )

ce qui revient à considérer que le modèle idéal est en réalité limité en courant.

Déterminer la valeur de

ρ

(usuellement

ρ≈350 \:\mathrm{Ω}

◊ remarque : on remarque en outre généralement un “effondrement” de la tension pour les plus grandes valeurs du courant.

• Reprendre l'expérience pour plusieurs valeurs initiales

V_{s0}

(par exemple

10 \:\mathrm{V}

8 \:\mathrm{V}

6 \:\mathrm{V}

4 \:\mathrm{V}

2 \:\mathrm{V}

) et vérifier que la droite de limitation est en première approximation indépendante de la valeur

V_{s0}

choisie.

2.3. Saturation en balayage de tension

• Réaliser un montage “suiveur de tension” branché en entrée sur un générateur sinusoïdal (BF).

• Relier l'entrée et la sortie du montage aux deux voies d'un oscilloscope, en choisissant le même calibre pour voir les deux courbes superposées.

• Pour une amplitude donnée du générateur B.F. (par exemple

10 \:\mathrm{V}

), augmenter progressivement la fréquence jusqu'à observer

V_s≠V_e

Quand la dérivée

\displaystyle \frac{dv_s}{dt}

atteint une limite

±β

, avec

β≈{10}^6

{10}^7 \: \mathrm{V.s^{-1}}

, les variations sont limitées à cette vitesse de balayage maximum. Mesurer

β

et noter la fréquence à partir de laquelle on observe cet effet.

• Changer l'amplitude d'entrée (par exemple

8 \:\mathrm{V}

, puis

6 \:\mathrm{V}

) et vérifier que la pente limite

β

est toujours la même, mais que l'effet n'apparaît que pour des fréquences plus grandes (si on diminue l'amplitude, on peut d'autant augmenter la fréquence avant d'atteindre la pente limite).

2.4. Courants de polarisation

• Première méthode : si l’A.O. est de fabrication “ancienne” (≈ 1990), les courants de polarisation sont assez grands ; il suffit alors de réaliser un montage quelconque (par exemple un suiveur de tension, ou un amplificateur non inverseur) et d’insérer un microampèremètre dans les circuits d’entrée

e_{+}

e_{-}

(selon qu’on étudie

I_{+}

I_{-}

).

◊ remarque : les courants

I_{+}

I_{-}

sont approximativement égaux ; tous deux dans le sens “entrant”.

• Deuxième méthode : si les courants de polarisations sont trop faibles pour être mesurés par la méthode précédente, on peut réaliser le montage suivant, en insérant un résistor réglable de résistance

R≈0

1 \:\mathrm{MΩ}

dans les circuits d’entrée

e_{+}

e_{-}

◊ remarque : les A.O. modernes ont des courants de polarisation très faibles (

≈10 \:\mathrm{pA}

pour les plus évolués) ; les mesures sont alors TRÈS sensibles aux effets parasites électrostatiques : il faut en particulier “blinder” soigneusement le montage et même éviter de bouger au voisinage des circuits, surtout si l'air est sec et si on porte des vêtements en fibres synthétiques.

• Le second montage étant “suiveur de tension” avec l'entrée à la masse, on doit en principe obtenir

V_s=0

quel que soit

R

si le courant de polarisation

I_{-}

est nul (la tension de décalage

V_{de}

est normalement négligeable ou compensée). Mesurer

V_s

en fonction de

R

: pour

I_{-}

à peu près indépendant de

V_s

, on obtient une droite passant par l'origine :

V_s≈R \:I_{-}

; en déduire

I_{-}

. Procéder de façon analogue pour mesurer

I_{+}

.

• Troisième méthode : si les courants de polarisations sont encore trop faibles pour être mesurés par la méthode précédente, on peut procéder en insérant dans les circuits d’entrée

e_{+}

e_{-}

un condensateur de capacité

C≈\text{0,02}

20 \:\mathrm{μF}

(d'autant plus petite que

I_{+}

I_{-}

le sont).

• Le montage étant “suiveur de tension” et l'interrupteur étant initialement fermé, avec donc l'entrée à la masse, on doit en principe obtenir

V_s=0

. Ouvrir alors l'interrupteur et mesurer

V_s

en fonction du temps. Pour

I_{+}

à peu près indépendant de

V_s

, on obtient une droite passant par l'origine :

\displaystyle V_s≈-\frac{1}{C} \: ∫ \,I_{+} \: dt=-\frac{I_{+}}{C} \: t

; en déduire

I_{+}

. Procéder de façon analogue pour mesurer

I_{-}

AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL “RÉEL” - TP1

Matériel

Pour chaque groupe (8 groupes)

1 oscilloscope
1 A.O. (à décalage réglable) avec alimentation
1 petit tournevis (si besoin pour décalage)
3 adaptateurs BNC
1 raccord “en T” BNC
1 générateur BF
1 fréquencemètre (sauf si le BF en a un)
12 fils (des longs et des courts)
2 câbles coaxiaux (BNC d’un seul côté)
2 câbles coaxiaux (BNC des deux côtés)
2 contrôleurs électroniques
condensateurs divers de

10

100 \:\mathrm{nF}

1 boite de condensateurs

\text{0,1}

1 \:\mathrm{μF}

1 boite de condensateurs

1

10 \:\mathrm{μF}

résistors divers de

100 \:\mathrm{Ω}

1 \:\mathrm{MΩ}

1 boite de résistors

×1

×1000 \:\mathrm{Ω}

1 boite de résistors

×100 \:\mathrm{kΩ}

Au bureau

1 capacimètre
1 A.O. (à décalage réglable) avec alimentation