CHAPITRE 2 NÉCESSITE DE L’AMPLIFICATION Par Mr Miloud DJAOUANE Octobre 2019.

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1 CHAPITRE 2 NÉCESSITE DE L’AMPLIFICATION Par Mr Miloud DJAOUANE Octobre 2019

2 1. INTRODUCTION L’objectif de l’opération d’amplification, consiste à rendre compatible un signal « de faible niveau » (tension, courant ou puissance) avec une fonction ayant besoin d’un niveau plus fort. Niveau du signal faible Capteur Amplificateur Traitement Energie Niveau du signal fort Ceci peut se traduire par le synoptique suivant:

3 1. INTRODUCTION Par conséquent, lorsque la puissance d’un signal issu d’un dipôle actif est insuffisante pour commander une charge, un amplificateur est intercalé entre les deux de manière à augmenter la puissance fournie à la charge.

4 2. AMPLIFICATEURS MAGNÉTIQUES Dans l’époque actuelle, ce sont les circuits intégrés et les microprocesseurs qui tiennent le haut du pavé en électronique. En remontant dans le temps on trouve les transistors puis encore avant les tubes.

5 2. AMPLIFICATEURS MAGNÉTIQUES ces derniers ont de nombreux défauts, ils sont fragiles, consomment à vide, demandent de nombreux composants pour leurs fonctionnement, etc… On leurs a donc cherché un concurrent plus robuste et plus facile à mettre en œuvre : l’amplificateur magnétique. Ses caractéristiques et son fonctionnement se rapprochent du thyristor.

6 2. AMPLIFICATEURS MAGNÉTIQUES C’est un composant quasiment oublié aujourd’hui mais il y a quelques années on en trouvait tout de même dans quelques applications particulières en télévision couleur. Il présente de nombreux avantages :  Il est robuste;  sa consommation à vide est presque nulle.  Son rendement est important ;  résiste aux chocs;  d’une durée de vie quasiment illimitée ; et son amplification en puissance peut être importante puisque quelques microwatts peuvent se transformer en kilowatts.

7 2. AMPLIFICATEURS MAGNÉTIQUES L’amplificateur n’étant pas parfait, il a tout de même quelques défauts et notamment sa constante de temps que l’on ne peut négliger.

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9 2. AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS Un amplificateur opérationnel (aussi dénommé ampli op, AO, AOP, ALI ou AIL) est un amplificateur différentiel. C’est un amplificateur électronique qui amplifie une différence de potentiel électrique présente à ses entrées. Il a été initialement conçu pour effectuer des opérations mathématiques dans les calculateurs analogiques. Il permettait de modéliser les opérations mathématiques de base (addition, soustraction, intégration, dérivation). Par la suite, l’amplificateur opérationnel a été utilisé dans bien d’autres applications comme la commande de moteurs, la régulation de tension, les sources de courants, les oscillateurs, …

10 2. AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS Avec quelques composants externes, les amplis opérationnels peuvent réaliser une grande variété de fonctionnalités utiles en traitement du signal. La plupart des AO standard ne coutent pas cher, néanmoins certains AO, dont les caractéristiques ne sont pas standards peuvent être relativement plus cher. V+V+ V-V- Vs + Vs - V out + - L’entrée notée V + est dite non-inverseuse tandis que l’entrée V - est dite inverseuse en raison de leur rôle dans les relations entrée/sortie de l’amplificateur. Un AOP dispose au minimum de deux entrées, de deux broches d’alimentation et d’une sortie.

11 2. AMPLIFICATEURS OPÉRATIONNELS La différence de potentiel entre ces deux entrées est appelée tension différentielle d’entrée. V+V+ V-V- Vs + Vs - V out + - La broche d’alimentation positive repérée V s+ est parfois aussi appelée V DD, V CC ou V CC+. La broche d’alimentation négative repérée V S- est parfois aussi appelée V SS, V EE ou V CC-. Les appellations V CC et V EE sont généralement réservées aux AOP bipolaires tandis que les appellations V DD et V SS sont généralement réservées aux AOP à effet de champ.

12 2. AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL PARFAIT L’amplificateur opérationnel parfait : un gain différentiel; une impédance d’entrée infinie; vitesse de balayage infinie; un gain de mode en commun; résistance de sortie nulle; La présence d’un gain différentiel infini implique que la moindre différence de potentiel entre les deux entrées de l’amplificateur l’amènera à saturation.

13 2. AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL RÉEL Les amplificateurs opérationnels réels présentent les défauts suivants: Présence d’une tension offset en entrée; influence de la tension de mode commun sur la tension de sortie; impédance non nulle en sortie; impédance non infinie en entrée; variation en fréquence du gain ; la tension de sortie peut être influencée par des variations de tensions d’alimentation.

14 2. AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL RÉEL Le tableau 2.1 présente quelques exemples de caractéristiques des AOP données par les fournisseurs, selon la technologie utilisée. PropriétéOrdre de grandeur Bipolaire (LM741) BiFET (TL081) Bimos (CA3140) CMOS (LMC6035) Gain Ad > 10 4 2.10 5 10 5 10 6 Impédance d’entrée (  ) > 10 7 2.10 6 10 12 1,5. 10 12 >10 13 Impédance de sortie (  ) < 2007510060 Fréquence de coupure (Hz) 10 ~ 20 Courant de fuite < 500nA80nA30pA10pA0.02pA Tension d’offset (mV) <101380.5 TRMC (Ad/Amc) (dB) 7090869096 Tension de bruit 184027

15 2. MONTAGES FONDAMENTAUX A BASE D’AOP L’utilisation des amplificateurs opérationnels se fait soit : Mode linéaire; Mode continu. Vs + Vs - s + - a. Mode linéaire (Amplificateur)

16 2. MONTAGES FONDAMENTAUX A BASE D’AOP a. Montage suiveur de tension 2.1 MONTAGES AMPLIFICATEURS Remarques: La resistance en entrée du montageest infinie; Le suiveur de tension permet de prélever une tension sans la perturber, car il possède un courant d'entrée nul. On le rencontre donc régulièrement lors de la présence de sonde. + Ve - Vs

17 2. MONTAGES FONDAMENTAUX A BASE D’AOP a. Amplificateur de tension non inverseur 2.1 MONTAGES AMPLIFICATEURS L'amplitude de V s est supérieur à celle de V e (c'est pour cela qu'il est "non-inverseur") + Ve - R1R1 R2R2 Vs Remarques: La résistance en entrée du montage est infinie. Donc le courant d'entré est nul.

18 2. MONTAGES FONDAMENTAUX A BASE D’AOP a. Amplificateur de tension inverseur 2.1 MONTAGES AMPLIFICATEURS V s peut être soit : + Ve - R2R2 R1R1 Vs Remarques : amplifiée: lorsque R 1 › R 2 atténuée: lorsque R 1 ‹ R 2 La résistance d'entrée du montage est R 1, donc cette résistance ne peut pas être très élevé par rapport aux autres montages vu précédemment.

19 2. MONTAGES FONDAMENTAUX A BASE D’AOP a. Amplificateur differentiel 2.1 MONTAGES AMPLIFICATEURS Le montage ne réalise sa fonction seulement si les résistances indiquée sur le schéma sont respectée. + V2V2 - R2R2 R1R1 R2R2 V1V1 R1R1 R2R2 Vs Remarques : La résistance de chacune des deux entrées est au moins R 1 (mais elle n'est pas constante).

20 2. MONTAGES LINEAIRES a. Montage Sommateur 2.1 MONTAGES OPERATEURS DE CALCUL ANALOGIQUE + V2V2 - R3R3 R2R2 V1V1 R1R1 Vs Remarques :

21 2. MONTAGES LINEAIRES 2.1 MONTAGES OPERATEURS DE CALCUL ANALOGIQUE a. Montage Sommateur V1V1 R0R0 R0R0 R0R0 V2V2 V3V3 + Ve - R1R1 R2R2 Vs A partir de ce schéma on peut rajoutez autant de tension d'entrées que nécessaire (à condition de rajoutez autant de résistance R 0 ). Remarques : La résistance de chaque entrée vaut au moins R 1.

22 2. MONTAGES LINEAIRES 2.1 MONTAGES OPERATEURS DE CALCUL ANALOGIQUE Une résistance (de valeur élevée) peut être placée en parallèle sur C pour stabiliser le point de repos en continu de l'ALI (évite ainsi que V s sature lorsque V e = I e = 0). Remarques : + Ve - C R Vs http://www.elektronique.fr/cours/AOP/aop-montages-de-base.php#i a. Montage Integrateur

23 2. MONTAGES NON LINEAIRES 2.1 MONTAGES COMPARATEUR DE TENSION En général il possède une sortie à collecteur ouvert, qui lui permet de résoudre le problème d'adaptation au niveau logique située après le montage. Remarques : + - Vs Formule :

24 2. MONTAGES NON LINEAIRES 2.1 MONTAGE COMPARATEUR À HYSTÉRÉSIS NON-INVERSEUR En général il possède une sortie à collecteur ouvert, qui lui permet de résoudre le problème d'adaptation au niveau logique située après le montage. Remarques : Formule : + - R2R2 V0V0 VeVe R1R1 Vs

25 2. MONTAGES NON LINEAIRES 2.1 MONTAGE COMPARATEUR À HYSTÉRÉSIS NON-INVERSEUR Ce montage est aussi appelé : "Trigger de Schmitt". Remarques : schéma de la sortie par rapport à l'entrée VpVp VSVS VEVE VHVH V satp V satn VnVn Ces un comparateur de tension qui à deux seuil de basculement différent. V H correspond à la valeur de l'hystérésis. Sa valeur correspond à :

26 2. MONTAGES NON LINEAIRES 2.1 MONTAGE COMPARATEUR À HYSTÉRÉSIS INVERSEUR Formule : + - R2R2 V0V0 VeVe R1R1 + Vs