AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL "IDÉAL" EN MODE LINÉAIRE

AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL “IDÉAL” EN MODE LINÉAIRE - TP1

1. Propriétés caractéristiques

• 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 $V_s=±V_{sat}≈±A$ (tension d'alimentation) en mode “saturé” ;
◊	une résistance de sortie nulle (générateur de tension parfait) en mode linéaire.

☞ remarque : l’alimentation de l’A.O. (tensions

±A

, usuellement

±15 \:\mathrm{V}

) n’est généralement pas représentée sur les schémas, il faut pourtant ne pas oublier de la brancher.

◊ remarque : l'A.O. est parfois aussi nommé “Amplificateur Linéaire Intégré” (A.L.I.).

2. Réglage préalable ; montage “suiveur de tension”

• Le montage “suiveur de tension” est un cas particulier du montage “amplificateur non inverseur” étudié ensuite (pour le cas

R_1=0

R_2=∞

).

Il sert principalement à transmettre un signal en tension, sans laisser le courant circuler du côté de l'entrée, et en permettant pourtant à la sortie de débiter du courant (fourni par l'alimentation de l'A.O.). Ce rôle sera étudié dans la partie suivante.

• Les deux entrées de l'A.O. n'étant jamais rigoureusement symétriques, il faut régler le zéro de la sortie afin de compenser ce décalage. Le suiveur de tension permet ceci, en court-circuitant le côté de l'entrée sur la masse et en branchant un voltmètre en sortie (schéma ci-contre) : si l'A.O. est bien réglé, le voltmètre doit mesurer une tension nulle ; sinon, agir sur la vis de réglage de l'A.O. pour ramener la tension à zéro.

3. Montage “amplificateur non inverseur”

3.1. Tracé automatique de la caractéristique $(v_e \,;v_s )$

• Réaliser un montage “amplificateur non inverseur” ci-contre, branché en entrée sur un générateur sinusoïdal “basse fréquence” (B.F.).

• Choisir les résistances entre

1 \:\mathrm{kΩ}

100 \:\mathrm{kΩ}

; justifier ce choix par les “imperfections” de l’A.O. (courants d’entrée non rigoureusement nuls ; courant de sortie limité à

≈30 \:\mathrm{mA}

).

☞ remarque : pour le confort visuel, utiliser des fréquences

≥100 \:\mathrm{Hz}

; pour que la caractéristique dynamique soit identique à la caractéristique statique, utiliser des fréquences

≤10 \:\mathrm{kHz}

(sinon l'A.O. risque de ne pas réagir assez vite).

• Vérifier expérimentalement (en mode XY, puis en enregistrant à l'aide de l'ordinateur) que, tant que l'A.O. ne sature pas, le montage est décrit par la caractéristique :

\displaystyle v_s (t)=\frac{R_1+R_2}{R_2} \: v_e (t)

. Démontrer cette relation à partir des propriétés caractéristiques de l’A.O..

• Vérifier la saturation en tension de sortie pour

v_s=±V_{sat}≈±A

quand la relation précédente conduit à des tensions de sortie supérieures à celles de l’alimentation.

3.2. Rétroaction et stabilité du montage

• L’interversion des branchements en

e_{+}

e_{-}

a-t-elle une importance dans le calcul théorique si on suppose l’A.O. parfait ? Vérifier expérimentalement que cette interversion rend le montage “inopérant” (il ne fonctionne plus selon le mode “amplificateur non inverseur”).

• En pratique, la “stabilité” des montages avec “rétroaction” (branchement entre la sortie et une entrée) nécessite d’effectuer la rétroaction sur l’entrée

e_{-}

.

◊ remarque : ceci vient des parasites sur le circuit d’entrée : avec rétroaction sur l’entrée

e_{+}

cela conduit à la “déstabilisation” du montage et à la saturation de la sortie à

±V_{sat}≈±A

(selon le signe du signal parasite).

4. Montage “amplificateur inverseur”

4.1. Tracé de la caractéristique $(v_e \, ;v_s )$

• Réaliser le montage ci-contre (“amplificateur inverseur”).

• À partir des propriétés caractéristiques de l’A.O., démontrer la relation :

\displaystyle v_s=-\frac{R_2}{R_1} \: v_e

; effectuer les mêmes mesures que pour le montage “amplificateur non inverseur” (y compris pour la saturation et la stabilité).

◊ remarque : pour

R_2=R_1

on obtient un “inverseur” (l'analogue du “suiveur”) qui change le signe sans modifier la forme du signal.

4.2. Amélioration à l’aide d’un “suiveur de tension”

• Un inconvénient de ce montage est que sa résistance d’entrée n’est pas “infinie” (contrairement à l’amplificateur non inverseur). Or, en laissant passer le courant, il peut perturber le montage sur lequel son entrée est branchée.

Pour plusieurs valeurs de tension d'entrée en régime continu (sans oublier de vérifier que la sortie n’est pas saturée en tension), mesurer les valeurs correspondantes du courant d’entrée ; en déduire la résistance d’entrée et vérifier qu’elle est (dans ce cas) égale à

R_1

.

☞ remarque : si la tension aux bornes de l’ampèremètre n’est pas négligeable, mesurer la tension en “courte dérivation” par rapport à l’A.O..

• Une méthode simple pour remédier à cet inconvénient consiste à ajouter en entrée un “suiveur de tension” :

Vérifier que la résistance d’entrée du montage ainsi modifié est quasi-infinie (

≈10 \:\mathrm{MΩ}

ou plus, correspondant à la résistance de l’entrée

e_{+}

du premier A.O.).

☞ remarque : ici au contraire, si le courant dans le voltmètre n'est pas négligeable, mesurer la tension en “longue dérivation” par rapport à l'A.O..