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B Amplification B1Objectif e s Rendre compatible un signal de faible niveau (tension courant ou puissance) avec une fonction ayant besoin d’un fort niveau. Ceci se traduit toujours par le schéma fonctionnel suivant: Energie Capteur e Niveau faible Amplificateur s Niveau fort Traitement

Remarque: Généralement cette amplification se fait en deux temps Amplification de tension quasi parfaite. Préamplificateur Amplification de puissance qui admet quelques défauts noyés dans le niveau du signal

B2 L’amplificateur idéal Ne perturbe pas le signal (les signaux) qu’il utilise. Amplifie le signal de manière désirée sans le déformer. Malheureusement, comme tout montage électronique il perturbe le montage amont (lui prend de l’énergie), n’est pas linéaire et réagit différemment suivant sa charge (montage aval). A Non idéal Rg Charge Is Eg Ve Vs Ve  Eg Vs en charge  Vs à vide

B3 Modélisation de l’entrée (impédance d’entrée) Pour caractériser l’entrée d’un amplificateur on parle de son impédance d’entrée. Charge Ze A Ve Ie I’e=0 Amplificateur idéalisé avec impédance d’entrée  Elle ne doit pas perturber le circuit d’attaque. Doit être adaptée sur tout le domaine de fonctionnement utile.

B31 Idéalement B32 Mesure On cherche à avoir: Ze =  Adaptation en tension. Ze = Rg Adaptation en puissance. (voir TD) Rg:résistance de sortie du générateur d’attaque Ze = Zg* Adaptation en puissance. (voir TD) Zg:impédance de sortie du générateur d’attaque B32 Mesure En mesurant Ve et Ie on trace Ze en module et en phase sur toute la bande de fréquence utile. Mais la mesure de Ie n’est pas toujours facile, lorsque c’est possible on utilise les montages suivants:

A D.U.T (device under test) Ie charge Ve R Vs = -R.Ie Ie=-Vs/R Ve parcours toutes les fréquences et on détermine Ie correspondant en mesurant Vs.

D.U.T R Ie charge Ve A Va Vs = -Ve Ie=Va/R On travail à |Ie|=cte.

A D.U.T Ie R Ve charge Va Vs = V+ -V- Vs = R.Ie Ie = Vs/R Utilisation de sonde de courant

Lorsqu’on désire faire une seule mesure à une fréquence donnée on utilise souvent la méthode suivante: R A Ve charge Vg On a alors: Soit:

B4 Modélisation de la sortie (impédance de sortie) L’amplificateur est branché sur une charge (impédance d’entrée du circuit aval). Son fonctionnement doit être compatible avec cette charge sur tout le domaine de fonctionnement utile. Pour modéliser ceci on parle d’impédance de sortie de l’amplificateur. Amplificateur modélisé Amplificateur idéal Ve Vs Zs Ze Ie Is

B41 Idéalement On cherche à atteindre Zs=0  adaptation en tension en pratique Zs  0,1. Charge est souvent suffisant adaptation en puissance Zs* = charge avec Zs* = Zs conjugué

B42 Mesure de l’impédance de sortie Si Vs0 est la tension de sortie à vide on a: donc Remarque: Certains amplificateurs n’acceptent pas de travailler à vide (ou ce fonctionnement n’est pas normal). On fait alors une double mesure avec des charges différentes Rc1 et Rc2. On a alors à une fréquence donnée: |Vs| Vs1 Vs2 |Is| Vs2/Rc2 Vs1/Rc1

B5 Modélisation entrée – sortie (fonction de transfert) B51 Idéalement Idéalement, le coefficient d’amplification A permettant d’écrire : Vs = A . Ve est réel et constant quelle que soit la fréquence f. B52 Modélisation Malheureusement, le cas précédent est impossible. On modélise alors, très souvent, A en fréquence (A) en donnant sa bande passante et/ou son diagramme de Bode. A = Vs/Ve est donc une fonction complexe de la variable jf: en fréquence ou j: en pulsation (j2=-1).

f1 f0 f2 Rappel Diagramme de Bode Courbe de gain Gmax Gmax –3DB Courbe de phase Bande passante BP = f2 – f1

Remarque: Si BP >> f0, on parle d’amplificateur large bande Si BP << f0, on parle d’amplificateur bande étroite

B6 Modélisation linéaire On peut en déduire un modèle linéaire en fréquence de l’amplificateur A Ve Vs Zs Ze Ie Is Relation entrée sortie: Attention il est possible que l’impédance d’entrée soit dépendante de la charge Vs= A.Ve – Zs.Is Si Zs=0 Vs= A.Ve Remarque: Il est également possible de modéliser le fonctionnement et la mise en cascade des amplificateurs à l’aide de la théorie sur les quadripôles (voir TD)

Même si ce modèle est dit linéaire (en fréquence), le signal d’entrée peut se retrouver déformé en sortie car ses composantes spectrales ne vont pas subir le même gain (distorsion de gain) et la même phase (distorsion de phase). B61 Distorsion de gain Pour avoir une distorsion de gain minimum, il faut que toutes les composantes spectrales de l’entrée soient dans une partie très plate de la bande passante B62 Distorsion de phase Pour avoir une distorsion de phase minimum, il faut que toutes les composantes spectrales de l’entrée subissent le même retard.

Ce qui se traduit par: Si Ve=Vemax . Sin(.t) Alors Vs=|A(j)|.Vemax .Sin(.t + Arg(A(j))) Soit Vs=|A(j)|.Vemax .Sin(.(t + Arg(A(j))/ )) Retard Donc, si Arg(A(j))/ )=cte (temps de propagation de groupe) Alors le signal ne subira pas de distorsion de phase

B7 Quelques imperfections ou caractéristiques B71 Dynamique de sortie La dynamique de sortie représente l’excursion maximum du niveau de sortie (celle-ci est limitée sauf astuce de montage par l’alimentation). +15 -15 e s Soit 30V de dynamique

B72 Linéarité Le coefficient d’amplification peut varier en fonction du niveau, surtout lorsqu’on s’approche de la saturation (des tensions alimentations). On définit alors la linéarité comme l’écart maximum entre la caractéristique de transfert idéale et la caractéristique réelle. Elle est exprimée en % pour un niveau de signal d’entrée donné.

B73 Réjection B731 Réjection de l’alimentation L’alimentation est souvent porteuse de signaux susceptibles d’être dans la bande de fréquence utile (ex:50Hz) donc de se retrouver dans le signal de sortie. On définit alors le taux de réjection d’alimentation comme étant le gain en décibels entre la sortie et un signal parasite présent sur l’alimentation.

TL082 B732 Réjection de mode commun On a souvent recours à des amplificateurs de différence (notamment en instrumentation). Ces amplificateurs ont comme caractéristique idéale de transfert: Vs = Ad(V+ -V-) Vs V+ V- Malheureusement la partie commune de V+ et V- (moyenne) peut influencer la sortie et on voit apparaître un terme de mode commun: Vs=Ad(V+ - V-) + Ac(V+ + V-)/2 Ad: Amplification différentielle Ac: Amplification de mode commun TRMC = 20Log(|Ad/Ac|): Taux de Réjection de Mode Commun en DB CMRR: Common Mode Rejection Ratio TL082

B74 Distorsion harmonique Si l’amplification n’est pas linéaire, lorsqu’on impose une tension sinusoïdale en entrée, on retrouve en sortie un signal périodique mais non sinusoïdal. Ce signal de sortie admet donc une série de Fourier: On définit alors le taux de distorsion harmonique comme:

B75 Distorsion d’intermodulation Si on soumet l’amplificateur à la somme de 2 signaux sinusoïdaux, Ve(t)=V1.Sin(1.t) + V2.Sin(2.t) La non linéarité de celui-ci amène en sortie des signaux aux pulsations 1, 2 , 1- 2, 1+2, 2.1-2, 2.1+ 2… Intermodulation d’ordre 2 Intermodulation d’ordre 3 Idéalement ces signaux n’existent pas Un défaut de ce genre peut être très mauvais s’il y a apparition de fréquences dans des canaux de transmissions interdits.

B76 Le bruit Le bruit est un signal nuisible se superposant au signal utile. Il peut avoir comme origine: un rayonnement électromagnétique. la constitution même des composants. L’influence de bruits externes peut être modifiée, atténuée avec un peu de précautions (qualité des câbles, blindage…) Mais certaines sources de bruits sont intrinsèques aux composants utilisés et constituent une limite aux performances des systèmes électroniques. une résistance fait du bruit un transistor fait du bruit Pour quantifier le fait qu’un signal est bruité, on parle de rapport signal sur bruit.

B8 Exemple AOP TL082 Doc TLO82 Ampli inverseur Ampli non nverseur Amplificateur de différence Construction d’un amplificateur à transistor