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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 .