Lab1: Les amplificateurs opérationnels
Transcription
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». 6 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. 9 GEL-3000−Électroniquedescomposantsintégrés Laboratoire1 Lesamplificateursopérationnels: Montagesdebase Nom 1. 2. Matricule Signaturedel’assistant: Date: