Lab1: Les amplificateurs opérationnels

Laboratoire1
Lesamplificateursopé rationnels:
Montagesdebase
CheikhLatyrFall,PhilippeTurgeonetBenoitGosselin
UniversitéLaval-Hiver2016
Objectifs
ü Familiarisationaveclesconfigurationsdebaseimpliquantdesamplis-op
ü RéalisationdesschémasetsimulationSPICEdecircuitsàbased’ampli-op
ü Réalisationetvalidationdemontagesdecircuitsàbased’ampli-op
Description
Cetravailpratiqueapourbutd’effectuerlasimulationetlemontagedeplusieurscircuitsàbase
d’ampli-op. Vous simulerez d’abord chaque circuit à l’aide d’Altium Designer et validerez
ensuite le montage expérimentalement au laboratoire. Les circuits en question comptent le
suiveur de tension, l’inverseur, le non-inverseur et l’additionneur de tensions. Il est
recommandédeconsulterlesspécificationstechniquesdesamplis-oputilisésdanslasection
«références»dusitewebducours.
Partie1. SimulationSPICEetquestionspré-laboratoire
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
Répondez aux questions suivantes avant de vous présenter au laboratoire. N’oubliez pas
d’imprimezvoscourbesetvosréponsesafindelesremettreàl’assistantendébutdeséance.
Pour toutes les simulations, utilisez VDD = 5V et VSS = -5V. En simulation, rajoutez une
résistancedesourcede50ohmsensérieaveclessourcesdesignal(ex.:VSIN,VPULSE,
etc.)pourémulerlecomportementdessourcesréelles(voirlaFigure1).Utilisezlalibrairie
associée et référez-vous au Didacticiel Altium Designer pour savoir comment l’intégrée au
projet.
Lesuiveurdetension
Lemontagesuiveurdetensionestuncircuitenboucleferméequiàgainunitaire,impédance
d’entréeélevéeetimpédancedesortiefaible.LaFigure1montreunsuiveurdetensionutilisant
l’ampli-opLM358delacompagnie«NationalSemiconductor».
RéalisezleschémadusuiveurdetensionprésentéàlaFigure1dansAltiumDesigner.
EnutilisantAltium,tracezlescourbesdegainetdephase(Bode)pourlesuiveurdetension.
Imprimezvoscourbes.
ToujoursavecAltium,relevezlesfréquencesdecoupuredecetteconfigurationparsimulation.
Annotezlesfréquencesdecoupuresurlescourbesdegainobtenues.
En utilisant Altium, trouvez le slew rate et la largeur de bande grand signal du suiveur de
tension en observant sa réponse fréquentielle et sa réponse temporelle. Pour la réponse
2
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
Figure1:Lesuiveurdetension.
temporelle,utilisezunesourcedetensionpulsée(VPULSE)danslalibrairie«Simulation»et
connectez-laàl’entréeducircuit.Configurezcettesourcepulséecommesuit:
DCMagnitude=0, ACMagnitude=1, ACphase=0,
InitialValue=0, PulsedValue=1, TimeDelay=0,
RiseTime=0,
FallTime=0,
PulseWidth=10u, Period=20u,
Phase=0.
Montrezlatensiondesortieobtenueetindiquezlapentedel’échelondesortiesurlacourbe.
1.4.1. Quelleestlavaleurduslewratepourcetampli-op?
2.
2.1
2.2
1.4.2. QuelleestlalargeurdebandegrandsignalsiVomax=4.980V(référez-vousauxnotesde
cours)?
L’inverseur
La Figure 2 montre un amplificateur inverseur basé sur l’ampli-op TL082, aussi de la
compagnie « National Semiconductor ». Le signal d’entrée est branché à une borne de la
résistance R21 qui est branchée à l’entrée négative de l’ampli-op. Par conséquent, le signal
d’entréeestdéphaséde180degrésàlasortie(ouinversé).LesrésistancesR21etR22permettent
d’appliquerlarétroactionnégativeetderéaliserungainstableenbouclefermée.
RéalisezleschémaducircuitinverseurprésentéàlaFigure2dansAltiumDesigner.
EnutilisantAltium,tracezlescourbesdegainetdephase(Bode)pourl’inverseur.Imprimez
voscourbes.
3
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
2.3
ToujoursavecAltium,relevezlesfréquencesdecoupuredecetteconfigurationparsimulation.
Annotezlesfréquencesdecoupuresurlescourbesdegainobtenues.
Figure2:L’amplificateurinverseur.
2.4
3.
3.1
Faitesuneanalyseparbalayagepourlecircuitdel’inverseur.FaitesvarierR221kà20kavec
unpasde4k.Tracezlesréponsesfréquentiellescorrespondantes.Quepeut-onapprendrede
cescourbes?
L’additionneur
La Figure 3 montre un circuit additionneur à deux entrées basé sur l’ampli-op TL082.
L’additionneuresttrèssimilaireàl’amplificateurinverseur.Ilfournitungainenbouclefermée
et inverse les signaux d’entrée. Ces multiples entrées permettent d’additionner plusieurs
tensionsàlasortie.
RéalisezleschémaducircuitadditionneurprésentéàlaFigure3dansAltiumDesigner.
Figure3:Lecircuitadditionneur.
3.2
Simulezlecomportementducircuitadditionneuràl’aided’unesimulationtemporelle.Utilisez
deuxsourcessinusoïdalesd’amplitudesetdefréquencesdifférentes.Imprimezvoscourbes.
4
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
4.
Lenon-inverseur
Aulieudebrancherlesignald’entréeàl’entréenégativedel’ampli-opcommepourl’inverseur,
onlebrancheàl’entréepositiveafind’obtenirlecircuitnon-inverseurmontréàlaFigure4.Le
signal de sortie du circuit non-inverseur aura la même phase que le signal d’entrée. Comme
pour l’inverseur, le non-inverseur compte une résistance dans la boucle de rétroaction afin
d’amplifier le signal. Ce circuit utilise l’ampli-op LMC6482 de la compagnie « National
Figure4:L’amplificateurnon-inverseur.
Semiconductor».
4.1.
Réalisezleschémaducircuitnon-inverseurprésentéàlaFigure4dansAltiumDesigner.
4.2.
En utilisant Altium, tracez les courbes de gain et de phase (Bode) pour le non-inverseur.
Imprimezvoscourbes.
4.4.
L’ampli-op LMC6482 est un amplificateur rail-à-rail. Expliquez en quoi consiste cette
caractéristiqueetdémontrez-laàl’aided’unesimulationparbalayage.Pourcefaire,effectuez
lesétapessuivantes:
4.4.1. Double-cliquez sur le symbole de la source sinusoïdale dans votre schéma du noninverseur.Danslapartiede«Models»,cliquezsurlebouton«Edit».Lafenêtre«Sim
Model » s’ouvre. Ensuite, cliquez sur l’onglet « Parameters » comme montré dans la
Figure5.
4.3.
ToujoursavecAltium,relevezlesfréquencesdecoupuredecetteconfigurationparsimulation.
Annotezlesfréquencesdecoupuresurlescourbesdegainobtenues.
4.4.2. Ilestpossibled’effectueruneanalyseparbalayageàl’aidedevaleursparamétriques.
Poureffectuerunbalayagedel’amplitudecrêtedusignald’entrée,entrer{vx}comme
valeur d’amplitude de la source. N’oubliez pas les accolades. Confirmez toutes les
fenêtresencliquantsur«OK».
4.4.3. Ouvrezlafenêtre«AnalysesSetup».Cliquezsurlapartie«GlobalParameters».Cliquez
surlebouton«Add»pourcréerunnouveauparamètre.Entrez«vx»danslacolonne
«Parameter»et«1m»danslacolonne«value»,commeillustréàlaFigure6.
4.4.4. Ensuite, comme montré à la Figure 7, cliquez sur la partie « Parameter Sweep » et
choisissez « vx » pour le balayage. Entrez 100m comme valeur pour « Start Value »,
500mcommevaleurpour«StopValue»,et100mcommevaleurpour«StepValue».
Surtout,n’oubliezpasd’activerl’analyse.
5
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
4.4.5. Enfin,démarrezlasimulation.Imprimezlescourbesobtenuesetrelevezlatensionde
sortiepourlaquellel’amplificateurcommenceàsaturer.Expliquezvosrésultats.
Figure5:Configurationdel’analyseparamétriqueparbalayage:lafenêtre«SimModel».
Figure6:Configurationdel’analyseparamétriqueparbalayage;lafenêtre«AnalysesSetup–GlobalParameters».
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GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
Figure7:Configurationdel’analyseparamétriqueparbalayage:lafenêtre«AnalysesSetup–ParameterSweep».
Partie2. Travauxàeffectueraulaboratoire
Cettepartiedutravails’effectueauPLT-3101etconsisteàréaliserlesmontagesdescircuits
illustrés sur les Figures 1 à 4. Rapportez les valeurs demandées (celles en gras dans le
protocole) dans votre rapport, comparez-les avec les valeurs simulées et discutez de vos
résultats.Advenantlecasouvosrésultatsneconcorderaientpastoutàfaitaveclasimulation,
tentezuneexplication.
1. Montagedusuiveur
1.1. MontezlecircuitdelaFigure1survotrebreadboard.Choisissez+5Vpourl’alimentationpositive
et-5Vpourl’alimentationnégativeetbranchezcestensionsaucircuit.
1.2. Ensuite,appliquezunetensionsinusoïdaled’unefréquencede10kHzetd’uneamplitudecrête
de 0.5 V à l’entrée du circuit et regardez sa sortie à l’oscilloscope. Rapportez la capture
d’oscilloscope de Vin et Vout dans votre rapport. Notez l’amplitude crête des signaux
d’entrée(Vin)etdesortie(Vout)etcalculezlegainducircuitgrâceàVout/Vin.
1.3. Augmentez graduellement la fréquence du signal sinusoïdal afin de mesurer la fréquence de
coupuredusuiveurdetension.Rappel:lafréquencedecoupureestlafréquencepourlaquelle
l’amplitudedusignalestatténuéede3dB.Notezcettefréquence.
1.4. Appliquezunsignalrectangulaired’uneamplitudecrêtede0.5Vetd’unefréquencede50kHz
au circuit et observez la sortie à l’oscilloscope. Sur une même capture d’oscilloscope,
7
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
rapportezlaformed’ondedeVin etVoutdansvotrerapport.Notezlavaleurduslewrate
dececircuit.
2. Montagedel’inverseur
2.1. MontezlecircuitdelaFigure2survotrebreadboard.Commelecircuitprécédant,utilisezdes
alimentationsde+5Vet-5V.
2.2. Appliquezunsignalsinusoïdald’uneamplitudede100mVàl’entréeducircuitetobservezla
sortieàl’oscilloscope.Commepourlesuiveur,mesurezlegain,lafréquencedecoupureetla
fréquencedegainunitairedececircuit.Comparezlesvaleursmesuréesaveclesvaleurs
simuléesetcalculées.
2.3. Mesurezlatensiondedécalagedececircuitetproposezunesolutionpourdiminuerson
impact.
3. Montageducircuitadditionneur
3.1. MontezlecircuitdelaFigure3survotrebreadboard.Utilisezdestensionsd’alimentationde+5V
et-5V.Branchezlesdeuxentréesducircuitàdessourcesdetensionsdifférentes.Prenezbien
soind’inscriredansvotrerapportl’amplitudeetlafréquencedecesdeuxsignaux.Réalisez
ladeuxièmesourcedetensionàl’aided’undiviseurdetensionconnectéà+5V.Miseengarde:
utilisez un circuit vue en classe pour éviter que le diviseur de tension ne soit vu comme une
résistancedesourcetropimportanteparlecircuitadditionneur.
3.2. Observezlesignaldesortieàl’oscilloscopeettracezlaformed’ondeobservéedansvotre
rapport.Décrivezlatensiondesortieducircuitetexpliquezcequisepasse.
4. Montageducircuitnon-inverseur
4.1. MontezlecircuitdelaFigure4survotrebreadboard.Utilisezdestensionsd’alimentationde+5V
et -5V. Appliquez un signal sinusoïdal d’une amplitude de 100 mV à l’entrée du circuit et
observezlasortieàl’oscilloscope.Rapportezlacaptured’oscilloscopedansvotrerapport.
4.2. Mesurezlegain,lafréquencedecoupure etlafréquencedegainunitaire dececircuit.
Comparezlesvaleursmesuréesaveclesvaleurssimuléesetcalculées.
4.3. Ensuite, augmentez l’amplitude crête de la tension d’entrée jusqu’à 0.5V crête et observez la
sortie du circuit à l’oscilloscope. Rapportez la capture d’oscilloscope dans votre rapport.
Queconstatez-vous?
8
GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés
QuestionsPost-laboratoire
Répondezauxquestionssuivantes:
1. Quels sont les points importants à retenir dans ce laboratoire? Quelles sont les difficultés
rencontrées(s’ilyalieu)?
2. Quelestlelienentrelavitessededériveetlafréquenced’opérationd’unampli-op?
3. Quellesontlestensionsdedécalagespécifiéesdanslesfichestechniquespourlestroisamplisoputilisésdanscetravailpratique?Nommezunesituationlorsdelaquelleilseraitpertinent
d’utiliserunampli-oppossédantdes«offset-nullingterminals»etpourquoi.
4. En quoi consiste un amplificateur dont l’alimentation est unipolaire? Expliquez. Dessinez le
schémapourunamplificateurnon-inverseurdontl’alimentationestunipolaire.Spécifiezaussi
leséquationsnécessairespourdéterminerlesvaleursderésistance.
5. Àl’aidedelaspécificationtechniqueduLM358,trouvezlachargerésistiveminimumquepeut
accommodercetamplipourunetensiondesortiede2Vcrête.
6. Calculer l’erreur relative sur le gain en boucle fermée de l’amplificateur inverseur et de
l’amplificateur non-inverseur en sachant que la tolérance d’une résistance est de 5% de sa
valeur. Pour ce faire, vous pouvez utiliser la méthode des extrêmes ou encore la méthode
différentielle.
Méthodedifférentielle(méthodevalidepourdesincertitudesinférieuresà10%):
𝑧𝑧 = f 𝑥𝑥, 𝑦𝑦 → ∆𝑧𝑧 = Rapport
𝑧𝑧 =
𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕
∙ ∆𝑥𝑥 +
∙ ∆𝑦𝑦
𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕
∆𝑧𝑧 ∆𝑥𝑥 ∆𝑦𝑦
𝑥𝑥
→ =
+ 𝑧𝑧
𝑥𝑥
𝑦𝑦
𝑦𝑦
Dansvotrerapport,répondezauxquestionsposéesdefaçonsuccincte.Iln’estpasnécessaire
de rédiger une introduction et une conclusion. Les courbes et valeurs demandées (les
informationsengrasdansleprotocole)devrontêtreprésentéesenspécifiantlesnumérosde
questioncorrespondants.Deplus,placezladernièrepagedeceténoncécomme1èrepagede
votrerapportetremplissez-là.
VotrerapportdoitêtreremisenformattexteimprimédanslaboîteidentifiéeGEL-3000située
prèsduPLT-3109avantladatelimite.Deplus,téléversez-enégalementunecopieélectronique
surPixel(https://pixel.fsg.ulaval.ca/)avantladatelimite.
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Nom
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Matricule
Signaturedel’assistant:
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