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
HUGON Ludovic (rédacteur) ISTASE1-TD3 PREYNAT Jonathan
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
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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
FREQ = 5000VAMPL = 1VOFF = 0
3
HUGON Ludovic (rédacteur) ISTASE1-TD3 PREYNAT Jonathan
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
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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
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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
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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
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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
FREQ = 5000VAMPL = 1VOFF = 0
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
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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
FREQ = 100VAMPL = 1VOFF = 0
V
Nous avons :
21
1
RRRVccV
+×
=+ et eV =−
Si V+<V- alors V+=1V Si V+<V- alors V+=-1V
9
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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
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Expérimentalement : Nous obtenons :
Ve – 500mV/div 2.5ms/div
Vs – 5V/div On a en entrée un signal sinusoïdal et en sortie, un signal carré. Vs=f(Ve) :
Ve – 200mV/div 2.5ms/div
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.
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-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
FREQ = 100VAMPL = 1VOFF = 0
0
V
Nous obtenons :
Ve – 500mV/div 2.5ms/div
Vs – 5V/div
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Vs=f(Ve) :
Ve – 200mV/div 2.5ms/div
Vs – 5V/div
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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
FREQ = 100VAMPL = 1VOFF = 0
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
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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
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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