Amplificateur opérationnel

1. Présentation

L’amplificateur opérationnel (noté A.O. ou AOP ou Ampli Op) est un circuit intégré (association d’un grand nombre de résistances, de transistors et de condensateurs) à 8 broches présenté dans un petit boîtier plastique.

Pour fonctionner, l’amplificateur opérationnel doit obligatoirement être alimenté par une source de tension continue symétrique. Le point milieu (de potentiel U = 0 V ) définit la masse M (ou référence) du montage.

( E^- est l'entrée inverseuse, E⁺ l'entrée non inverseuse, S la sortie et M la masse)

On pourra utiliser le logiciel LABO_MPI pour montrer les différentes bornes de l'A.O. : lancer le logiciel puis choisir La chaîne de mesures / Adaptateur / Amplificateur OP et agir sur le "Lecteur".
 

2. Montage inverseur

•  Schéma de principe :

• Mesures en continu :

Faire varier la tension fournie par le générateur de tension de -3 V à + 3 V et relever les valeurs de Ue et Us dans un tableau (faire une quinzaine de mesures).

Tracer la caractéristique de transfert Us = f(Ue) : combien de parties peut-on distinguer ?

Modéliser la partie centrale de cette caractéristique : pourquoi dit-on qu'elle correspond au fonctionnement de l'A.O. en régime linéaire ?

Le rapport G = est appelé le gain de l'A.O. : calculer ce rapport en régime linéaire.

Remplacer R1 par une résistance R'1 = 15 kW   (environ) et faire deux mesures permettant de calculer le gain G ' correspondant à ce nouveau montage.

Compte-tenu des résultats obtenus et des valeurs réelles de R1, R2 et R'1 , exprimer le gain en fonction des résistances du montage.

Le gain en tension a pour expression : G = - 4,5 et G ' = - 6,7

• Mesures en régime variable :

  Choisir comme valeur : R1 = 22 kW  et R2 = 100 kW  (environ).

A l'aide du GBF et de l'oscilloscope (voie 1), préparer un signal triangulaire symétrique de fréquence 500 Hz et d'amplitude 1 V . Calculer la durée d'une période et reproduire l'écran correspondant (régler le balayage de façon à observer 2 ou 3 périodes ).

Appliquer ce signal Ue à l'entrée du montage étudié et compléter la reproduction d'écran précédente avec la tension de sortie Us que l'on visualisera sur la voie 2 de l'oscilloscope.
Pourquoi ce montage est-il appelé "inverseur" ?

Pour plusieurs points différents (au moins deux, à préciser sur la reproduction d'écran), déterminer les tensions Ue et Us ; en déduire le gain en tension correspondant et conclure.

Relever également un second oscillogramme lorsque l'amplitude de Ue est de  3 V. Que peut-on constater ? Pourquoi ?

Indiquer pour chaque oscillogramme les calibres de chacune des deux voies ainsi que le coefficient de balayage (utiliser des couleurs différentes et identifier chaque courbe).

Régler l'oscilloscope en mode "XY" (à l'aide du bouton "balayage") : qu'observe-t-on ? Reproduire l'écran de l'oscilloscope en précisant les calibres des voies 1 et 2 ; commenter la courbe obtenue.

Faire remarquer que l'on obtient la caractéristique de transfert du montage, et que sa "pente" dépend des réglages de calibres : le coefficient directeur est donc constant et on peut le calculer pour retrouver la valeur du gain.

3. Montage non-inverseur

•  Schéma de principe :

• Mesures en régime variable et à l'oscilloscope : reprendre les réglages du montage précédent, observer (et commenter) les courbes obtenues en mode "balayage" puis en mode "XY" ; reproduire l'écran de l'oscilloscope dans ce dernier cas et commenter.
  
  Le gain a pour nouvelle expression (à donner aux élèves) : G = 5,5
   
•  Mesures en régime variable et à l'ordinateur : utiliser la platine MPI (Jeulin 185 321).
  Avant de brancher la platine, régler les potentiomètres de la partie "AMPLIFICATEUR" pour obtenir une résistance de valeur R₂ = 100 kW .
  Ajuster la tension d'entrée à l'aide du GBF et faire une acquisition sous Généris ; observer les courbes correspondantes puis exporter les valeurs sous Graphical Analysis pour pouvoir tracer sa caractéristique de transfert, dont on cherchera à déterminer le coefficient directeur (pour sa partie linéaire).
  
  On peut régler le GBF pour qu'il délivre des signaux triangulaires de fréquence 625 Hz et de tension maximale 1 V ; dans ce cas, le paramétrage de Généris peut être de 1,6 ms et 101 points en mode f(t).
  Le gain a alors pour valeur : G = 11
  
  Recommencer l'étude pour une tension d'entrée supérieure, de façon à observer le phénomène de saturation ; commenter les résultats des mesures et calculs correspondants.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

4. Montage suiveur

• Etude théorique : dans ce montage non-inverseur particulier, que valent les résistances R1 et R2 ? Quel devrait alors être le gain en tension de ce montage ?

• Vérification expérimentale :
  Branchez le GBF sur l'interface ESAO ( Directe / ) et réglez-le pour qu'il délivre un signal triangulaire de fréquence 625 Hz et de tension maximale 3 V .
  
  On utilise Généris et comme paramètres un mode d'acquisition f(t) sur Directe / , sans adaptateur, une durée de 4 msec et on coche Synchronisation et Affichage temps réel : le logiciel fonctionne alors comme un oscilloscope numérique à mémoire... Il suffit alors de régler le GBF pour qu'il délivre le signal demandé, dont la période est de 1,6 msec .
  
  
  Branchez alors la Platine MPI en la reliant à l'alimentation symétrique -15V / 0V / +15V puis connectez la masse du GBF et celle de la platine.
  
  Envoyez le signal délivré par le GBF sur l'entrée d'un amplificateur monté en SUIVEUR , et reliez sa sortie à l'interface ESAO par l'intermédiaire d'un adaptateur Voltmètre (sans oublier les masses). Procédez à l'acquisition des signaux des 2 voies et commentez.
  
  Le calibre de l'adaptateur Voltmètre, branché sur la seconde voie, sera postionné sur 25 V =
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

• Intérêt du montage suiveur (au bureau) :
  
  

  	Us = 2,5 V (montage potentiométrique en absence de charge)
  	Us = 0,42 V (chute de tension à cause de la charge : R2 = 10 x Rc )
  	Us = 2,5 V Le montage suiveur permet d'isoler le diviseur de tension de la charge (mais à condition que le courant débité soit inférieur à Ismax de l'amplificateur).

 
5. Montage additionneur (inverseur)

• Description : l'entrée non-inverseuse est reliée à la masse.
  

Mesures : mesurez la tension de sortie pour différentes valeurs de Ue₁ et Ue₂ et complétez le tableau ci-dessous :


Ue1 (V)	0		3		7		11		- 11		- 7		-3
Ue2 (V)	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5
Us (V)


Que constate-t-on ? Pourquoi ?

Le montage fournit comme tension de sortie Us = - ( Ue₁ + Ue₂ ) , à condition de ne pas dépasser la tension de saturation...

6. Montage soustracteur

• Description :

• Mesures : mesurez la tension de sortie pour différentes valeurs de Ue₁ et Ue₂ et complétez le tableau ci-dessous :
  

  Ue1 (V)	0		3		7		11		- 11		- 7		-3
  Ue2 (V)	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5	+ 4,5	- 4,5
  Us (V)

  
  Que constate-t-on ? Pourquoi ?
  
  Le montage fournit bien comme tension de sortie Us = Ue₂ - Ue₁ , à condition de ne pas dépasser la tension de saturation...
  

7. Montage comparateur

• En régime continu : observez Us (et l'état de la DEL) lorsque l'on fait varier Ue1 de 0 à 10 V .

Mesurez la tension de la pile (en dehors du circuit), puis deux valeurs significatives de Ue₁et Us ; reportez-les dans le tableau ci-dessous, puis expliquez les résultats obtenus.

Ue1 (V)
Ue2 (V)
Us (V)


Pour quelle valeur de Ue₁ le phénomène de bascule apparaît-il ?

• En régime variable : remplacez l'alimentation variable de l'entrée inverseuse par le GBF (réglé pour qu'il délivre un signal triangulaire de fréquence 625 Hz et de tension maximale 3 V ), reliez Ue₁ et Us aux entrées de l'interface ESAO ( Directe /  et Voltmètre ).
  Commentez les courbes observées, puis modifiez le niveau de sortie du GBF pour qu'il délivre une tension supérieure de 6V environ : justifiez les modifications observées.
  
  Exploiter la fonction "Compte-rendu" de Généris en faisant réaliser aux élèves un document comportant les courbes obtenues accompagnées d'un commentaire, qu'ils imprimeront en fin de séance.