PREYNAT Jonathan Amplificateur Opérationnel 2 …alliancemimard.free.fr/fichiers/istase1/TP%20elec/... · Amplificateur Opérationnel 2 Montage non linéaires et en commutation I

HUGON Ludovic (rédacteur) ISTASE1-TD3 PREYNAT Jonathan

Amplificateur Opérationnel 2 Montage non linéaires et en commutation

I. Montages redresseurs sans seuil

Simulations : a. Montage non inverseur :

Sous PSpice, nous réalisons le schéma suivant correspondant au montage non inverseur :

+VCC -VCC

Nous observons ensuite Ve, Vs1 et Vs. Nous obtenons alors le résultat qui suit : V

U1

uA741

3

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

Dans le cas ou Ve est un signal sinusoïdal d’amplitude 1V et de fréquence 100Hz.

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msV(S) V(E) V(S1)

-15V

-10V

-5V

0V

2V

-VCC

R10k

V3

FREQ = 100VAMPL = 1VOFF = 0

E

0

0

V

V

V215Vdc

0

V115Vdc

SS1

D1

D1N4148

+VCC

1


Dans le cas ou Ve est un signal sinusoïdal d’amplitude 0.1V et de fréquence 100Hz.

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms1 V(S1) 2 V(E) V(S)

-15Hz

-10Hz

-5Hz

0Hz

1

-100mV

-50mV

0V

50mV

100mV2

>>

Vs=f(Ve)

V(E)

-1.0V -0.8V -0.6V -0.4V -0.2V 0V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0VV(S)

-0.2V

0V

0.2V

0.4V

0.6V

0.8V

1.0V

2


Dans le cas ou Ve est un signal sinusoïdal d’amplitude 1V et de fréquence 5kHz.

Time

200us 250us 300us 350us 400us 450us 500us 550us 600usV(E) V(S1) V(S)

-15V

-10V

-5V

0V

2V

b. Montage non inverseur :

Nous simulons le montage suivant :

V215Vdc

R2 10k

D2 D1N4148

RL10k

-VCC

S

+VCC

+VCC

S1

00

D1

D1N4148

E

-VCC

0V

V115Vdc

U1

uA741

3

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

V

R1

10k

V

V3


3


Dans le cas ou Ve est un signal sinusoïdal d’amplitude 1V et de fréquence 100Hz.

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msV(S1) V(E) V(S)

-1.0V

-0.5V

-0.0V

0.5V

1.0V

1.5V

Dans le cas ou Ve est un signal sinusoïdal d’amplitude 0.1V et de fréquence 100Hz.

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msV(S1) V(E) V(S)

-400mV

-200mV

0V

200mV

400mV

600mV

4


Vs=f(Ve)

ans le cas ou Ve est un signal sinusoïdal d’amplitude 1V et de fréquence 5kHz.

V(E)

-1.0V -0.8V -0.6V -0.4V -0.2V 0V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0VV(S)

-0.2V

0V

0.2V

0.4V

0.6V

0.8V

1.0V

D

Time

0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400usV(S1) V(E) V(S)

-1.0V

-0.5V

-0.0V

0.5V

1.0V

1.5V

5


Pratique a. Montage non inverseur :

Nous câblons donc le montage vu dans la partie simulation. Nous appliquons tout d’abord en entrée un signal sinusoïdal d’amplitude 1V et de fréquence 100Hz. Relevé de l’oscillogramme :

Ve – 500mV/div Vs1 – 5V/div 2.5ms/div

Vs – 500mv/div

Nous appliquons maintenant en entrée un signal sinusoïdal d’amplitude 0.1V de fréquence 100Hz. Relevé de l’oscillogramme :

Ve – 50mV/div Vs1 – 5V/div 2.5ms/div

Vs – 50mV/div

6


L’AOp est en fonctionnement linéaire lorsque que la sortie suit l’entrée. Il est en fonctionnement bloqué lorsque la sortie reste à 0V, il ne suit plus l’entrée. La fonction de ce montage est un redresseur inverseur de signal. Nous relevons la courbe Vs=f(Ve) : Relevé de l’oscillogramme :

500mV/div 2.5ms/div

Désormais nous allons augmenter la fréquence pour voir l’impacte qu’a cette dernière sur notre montage : nous appliquons donc en entrée un signal sinusoïdal d’amplitude 1V de fréquence 5kHz. Relevé de l’oscillogramme :

Ve – 500mV/div 25µs/div

Vs – 500mV/div

Ce retard est du au temps de montée de l’AOp.

7


b. Montage non inverseur : Nous câblons maintenant le second montage simulé en première partie. Rappel du montage :

V215Vdc

R2 10k

D2 D1N4148

RL10k

-VCC

S

+VCC

+VCC

S1

00

D1

D1N4148

E

-VCC

0V

V115Vdc

U1

uA741

3

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

V

R1

10k

V

V3


Lorsque Ve est négatif, nous avons alors D1 passante et D2 bloquée se qui entraîne Vs positive. A l’inverse lorsque Ve est positive, D1 est alors bloquée et D2 devient passante, Cela entraîne que Vs est nulle. Nous appliquons en premier un signal d’entrée sinusoïdal d’amplitude 1V et de fréquence 100Hz : Relevé de l’oscillogramme :

Ve – 500mV/div 2.5ms/div

Vs – 500mv/div Nous n’avons pas représenté Vs1 par souci de lisibilité et parce que cela n’apporte plus de réel informations une fois que l’on a compris le fonctionnement de ce montage.

8


Pour un signal sinusoïdal avec une amplitude de 0,1V, nous avons la même représentation sauf que la courbe ne monte qu’à 100mV. Tracé de Vs=f(Ve) : Relevé de l’oscillogramme :

500mV/div 2.5ms/div

A 5kHz, la sortie suit l’entrée mais avec un léger décrochage. Cela dit, avec ce montage la sortie suit bien mieux qu’avec le montage précédent.

II. Comparateur à hystérésis

Simulations :

a. Montage comparateur :

U1

uA741

3

2

74

6

1

5+

-

V+V

-

OUT

OS1

OS2

Nous simulons donc le montage ci-contre. Nous avons tout d’abord du déterminer les valeurs des résistances R1 et R2 :

+VCCR2

15k

V

R1

1k

0

0

-VCC

SV3


V

Nous avons :

21

1

RRRVccV

+×

=+ et eV =−

Si V+<V- alors V+=1V Si V+<V- alors V+=-1V

9


Nous tombons donc sur : 151

21

1 =+ RRR

car Vcc=15V.

Par la suite : 15R1=R1+R2 d’où 14R1=R2On prend alors R1=1kΩ et R2=15kΩ. Simulation sous spice :

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50msV(V3:+) V(S)

-15V

-10V

-5V

0V

5V

10V

15V

Et Vs=f(Ve) :

V(E)

-1.0V -0.8V -0.6V -0.4V -0.2V 0V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0VV(S)

-15V

-10V

-5V

0V

5V

10V

15V

10


Expérimentalement : Nous obtenons :


Vs – 5V/div On a en entrée un signal sinusoïdal et en sortie, un signal carré. Vs=f(Ve) :


Vs – 5V/div Pour obtenir des seuils de basculement centrés autour de 5V il suffit d’ajouter une source de tension de 5V. Lorsque l’on impose le seuil, c’est un trigger de Schmitt.

11


-VCC

S

E

+VCC

12

R1

1k

V5Vdc

V

U1

uA741

3

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

R2

15k

0

V3


0

V

Nous obtenons :


Vs – 5V/div


Vs=f(Ve) :


Vs – 5V/div

13


Montage non inverseur :

On change l’alimentation de patte.

R2

15kR1

1k

-VCC U1

uA741

3

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

V3


S

E

+VCC

0

0

V

2. Application multivibrateur astable à amplificateur opérationnel Schéma du montage

U1

uA7413

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

R2

15k

0

+VCC

-VCC

0

V

R

7.5k

V S

R1

1k

C

1n

Nous allons tout d’abord étudier le fonctionnement de ce montage afin de déterminer la valeur des fréquences d’oscillation. Ce montage est en contre réaction sur V+ et V-. Dans ce cas le mode de fonctionnement du montage (linéaire ou commutation) dépend de la valeur de ces potentiels.

14


Dans notre cas la valeur du potentiel V- est négligeable devant celle de V+, nous considérerons donc que l’amplificateur fonctionne en commutation. Nous déterminons alors les niveaux de basculements.

Si V- < V+ nous avons Vs=Vsat, ce qui nous donne la valeur du premier niveau de

basculement soit : 1521

2

RRRVs +

> .

Si V- < V+ VS = -Vsat

Il y a basculement si : 1521

1

RRRVC +

−< .

Après avoir déterminer la valeurs des niveaux de basculement, intéressons nous à la fréquence d’oscillation du montage. Pour la déterminer, déterminons une équation en fonction du courant ic.

CCS ViRV +< *

CC

S Vdt

dVRCV +<

La solution de cette équation différentielle est : )1()( RCt

SC eVtV−

−= Déterminons alors la valeur du temps bas et du temps haut.

Valeur du temps bas

Lorsque VS = -Vsat et que le tension du condensateur vaut 1521

1

RRR+

(condensateur chargé),

nous obtenons l’équation de temps bas :

)12ln(2

1 +=RRRCTL

Valeur du temps haut

Lorsque VS = Vsat et que la tension du condensateur est 1521

1

RRR+

− (condensateur chargé),

nous obtenons l’équation du temps haut :

)12ln(2

1 +=RRRCTH

Or la fréquence d’oscillation du montage est définie par : HL TT

f+

=1 .

15


Soit en remplaçant TH et TL par leur valeur : )1

2ln(2

1

2

1 +=

RR

RCf .

Nous souhaitons réaliser le montage pour une fréquence de 10 kHz. Nous prenons donc les valeurs suivantes pour les composants du montage : C = 4.7nF et R1 = R2 = R = 10 k.

Nous réalisons le montage avec un AOP 741 et avec un TL081.

Montage avec un AOP 741

Nous observons une déformation d signal de sortie par rapport au signal d’entrée. Ceci est du au slew rate.

Montage avec un TL081

Avec ce composant, nous obtenons bien le bon résultat sans aucune déformation. Pour des fréquences de travail hautes, il est donc préférable d’utiliser des

amplificateurs de type TL081 (pas de slew rate).

16

Documents

PREYNAT Jonathan Amplificateur Opérationnel 2 …alliancemimard.free.fr/fichiers/istase1/TP%20elec/... · Amplificateur Opérationnel 2 Montage non linéaires et en commutation I