DIVERSES FONCTIONS REALISEES AVEC UN AOP

by Prof. Didier Geoffroy
University Bordeaux 1, France
copyright, dernière modification: 12 Mars 2004

CONTENU

 RÉSUMÉ

 OBJECTIFS DU TP

• mettre en oeuvre quelques applications simples de l'Aop en régime linéaire
  
• mettre en évidence les conséquences du Slew-rate des Aop
  

 LISTE DU MATÉRIEL

• oscilloscope numérique
  
• générateur de fonctions (GBF)
  
• alimentations continues
  
• composants : Aop TL 81, TL 82, µA741, résistances et condensateurs
  
• câbles coaxiaux et fils de liaison
  

 MANIPULATION

PRÉLIMINAIRE

Dans toutes les manipulations l'Aop sera alimenté par deux sources de tension continues -Vcc et +Vcc. Le point milieu, M, de cette alimentation représente la référence des potentiels et est appelé " Masse ".
Cette polarisation, indispensable au fonctionnement de l'Aop, ne sera plus représentée dans les schémas mais elle est toujours présente.

Dans ce TP les Aop devront être polarisés entre -10 V et + 10 V. Vous aurez donc à paramétrer la source de polarisation à chaque expérience.

Schéma de polarisation

ADAPTATION D'IMPEDANCE

La notion d'adaptation d'impédance est fondamentale en électronique. Elle revêt deux significations différentes suivant le domaine de fréquence dans lequel on se place.

En hyperfréquence (GHz) un des problèmes majeurs rencontrés lors de la propagation des signaux le long des lignes est la réflexion du signal. Pour y remédier on adapte les impédances ce qui signifie éliminer toute réflexion du signal.

Dans le domaine de fréquence jusqu'au MHz les phénomènes de propagation étant négligeables, on se préoccupe de l'association charge-générateur et l'on souhaite que la charge ait une impédance beaucoup plus élevée que l'impédance interne du générateur. C'est ce dernier cas qui sera traité ici.

Nous allons l'illustrer sur un exemple simple.

Un générateur (v_in, R_G) attaque un dispositif électronique, par exemple un amplificateur. Vue du générateur la caractéristique électrique intéressante de l'amplificateur est sa résistance d'entrée notée R_e.

RG = 50 Ω

On dit alors que le générateur est chargé par la résistance R_e

Dans une première expérience nous allons observer le comportement du générateur à vide. Le schéma électrique équivalent de la sortie du générateur que vous utiliserez est le suivant :

RG = 50 Ω

Schéma de la sortie du générateur

Dans une deuxième expérience nous allons charger le générateur avec une charge R_e = 47 Ω. Le schéma devient le suivant :

RG = 50 Ω, Re = 47 Ω

Générateur chargé

On dit dans ce cas que le générateur et la charge ne sont pas adaptés car v_out est inférieur à v_in. Une bonne adaptation des résistances entraînera v_out très voisin de v_in.

Le montage à AOP suiveur peut être utilisé pour améliorer l'adaptation des résistances. Dans l'expérience suivante l'Aop câblé en suiveur est intercalé entre le générateur (la source) et la charge.

RG = 50 Ω, Re = 47 Ω

Adaptation des résistances

MISE EN EVIDENCE DU SLEW-RATE

Le signal de sortie v_out d'un Aop ne peut pas varier aussi rapidement qu'on le voudrait. Nous allons le constater expérimentalement dans le montage suivant :

Slew Rate µA 741

L'Aop est un µA 741 utilisé ici en comparateur.

1) Appliquer un signal carré v_in en entrée de valeur d'amplitude maximale de 5 V et de fréquence 10 kHz. On s'attend à observer un signal de sortie v_out de la forme suivante :

Signal de sortie théorique

Pour faire une mesure cliquer ici.

2) Le signal de sortie v_out(t) correspond-il à la réponse attendue ?

3) Mesurer le temps de montée du signal v_out c'est à dire le temps mis pour passer de -V_sat à V_sat. A partir de cette mesure exprimer la vitesse de montée du signal de sortie v_out en V/µs.

4) Comparer ce résultat au slew-rate (littéralement taux de croissance) de l'Aop donné par le constructeur : σ = 0,5 V/µs.

Ecrire les réponses ici.

5) Faire une nouvelle mesure avec un autre Aop : TL 081 (Appliquer un signal carré v_in en entrée de valeur maximale 5 V et de fréquence 10 kHz). Polariser l'Aop entre -10 V et +10 V.

Slew Rate TL 081

Pour faire une mesure cliquer ici.

6) Le signal de sortie v_out(t) correspond-il à la réponse attendue ?

Le constructeur donne comme valeur typique du slew-rate pour le TL 081 σ = 13 V/µs
7) Expliquer, à partir de la valeur du slew-rate, la forme du signal v_out obtenu.

Ecrire les réponses ici.

L'origine du slew-rate vient de l'existence d'un condensateur directement implanté au sein de la structure interne de l'Aop. C'est le temps de charge et de décharge de ce condensateur qui limite la vitesse d'évolution de v_out(t).

Cette limitation se traduit analytiquement par la relation suivante : dans laquelle σ appelé slew rate s'exprime généralement en V/µs.

INFLUENCE DU SLEW RATE EN REGIME SINUSOIDAL

Après avoir mis en évidence cette limitation des Aop en régime dynamique, nous allons examiner son influence en régime sinusoïdal sur un montage inverseur.

R2 = 10 kΩ, R1 = 1 kΩ

Slew-rate en régime sinusoïdal

Avant tout pour éviter que les autres limitations n'apparaissent et ne masquent le slew-rate, à savoir :

• une trop forte charge,
• l'influence de la bande passante,
• la saturation de l'Aop,

Le signal d'entrée v_in(t) ayant la forme v_in(t) = V_in sin(2 π f t), la sortie s'écrira:

v_out(t) = G V_in sin(2 π f t) avec G = -R₂/R₁ .

Exprimons la vitesse de variation du signal v_out(t);

dv_out/dt = G V_in2 π f cos(2 π f t)

et par conséquent

(le signe - provient du fait que G est négatif).
Par conséquent pour ne pas subir l'influence du slew-rate, l'inégalité suivante doit être vérifiée : - G V_in2 π f < σ. Soit avec les valeurs numériques des résistances : 20 V_in π f < σ.

Influence de l'amplitude du signal d'entrée

A fréquence fixée l'influence du slew-rate se fera sentir dès que V_in > σ/(20 π f) . Pour illustrer l'influence de l'amplitude nous allons utiliser un montage inverseur réalisé à partir d'un Aop µA 741.

Nous avions déjà vu qu'une amplitude trop forte du signal d'entrée pouvait entraîner la saturation de l'Aop. Nous venons d'en voir un second effet négatif.

Influence de la fréquence

A amplitude V_in fixée l'influence du slew-rate se fera sentir dès que f> σ/(20πV_in). Nous allons utiliser le même montage inverseur que précédemment (réalisé à partir d'un Aop µA 741) pour mettre en évidence l'influence de la fréquence.

SOMMATEUR

Comme son nom l'indique l'Aop a été conçu pour réaliser un grand nombre de fonctions ou d'opérations. Nous avons vu l'inverseur, le non inverseur, le suiveur, voici le sommateur.

R = 10 kΩ

Sommateur

2) Vérifier les caractéristiques du signal v_g(t). Polariser l'Aop entre -10 V et +10 V et mettre au plus bas l'amplitude du signal v_in(t).
Pour faire une mesure cliquer ici.

Mesurer la fréquence et l'amplitude de v_g(t). Les effets du slew-rate apparaissent ils ?

Ecrire les réponses ici.

3) Pour mettre en évidence la fonction sommation de ce montage, nous allons additionner à ce signal carré le signal v_in(t). Choisissez la forme sinusoïdale, une amplitude de 500 mV et une fréquence de 10 kHz.

Pour faire une mesure cliquer ici.

Le signal obtenu correspond-il à l'addition des 2 signaux ?

Ecrire les réponses ici.

4) Refaire la même expérience avec une forme triangulaire. Tout en gardant les mêmes valeurs pour les autres paramètres.

Pour faire une mesure cliquer ici.

5) La forme du signal résultant de l'addition dépend fortement du rapport entre les fréquences des 2 signaux de départ. Vérifiez le en prenant comme fréquence de v_in(t), f = 4 kHz.

Pour faire une mesure cliquer ici.

 DISCUSSION