Examen d'un Amplificateur Opérationnel de type LM 747 :
Toutes les grandeurs physiques
(pression, température, intensité lumineuse, vitesse...) peuvent être
converties en grandeurs électriques (courant, tension) au moyen de composants
spécifiques appelés transducteurs.
Un microphone est un exemple de
transducteur qui convertit une variation de pression de l'air ambiant, en une
tension électrique, dont l'amplitude est fonction de la variation de pression.
Le microphone délivre une tension
analogique, c'est-à-dire une tension pouvant prendre toutes les valeurs
possibles sur un intervalle donné.
Un signal analogique possède donc
une valeur minimale et une valeur maximale.
Un signal numérique, par contre, ne
prend que deux valeurs logiques (1 et
0).
Par conséquent, tous les circuits
numériques vus jusqu'à présent ne peuvent pas générer ou traiter un signal
analogique.
Pour remplir cette fonction, il est
nécessaire d'insérer à l'entrée du circuit numérique, un dispositif qui
convertit la tension ou le courant analogique en un signal numérique :
ce dispositif est appelé convertisseur analogique /
digital.
La conversion inverse, c'est-à-dire
d'un signal numérique en un signal analogique, s'opère grâce à un convertisseur
numérique / analogique.
Dans la leçon théorique
"14" électronique digitale correspondante à cette pratique,
vous avez appris quelles sont les caractéristiques des convertisseurs et sur
quels principes se base leur fonctionnement.
Dans cette pratique, vous allez expérimenter
ces circuits et voir quelques applications.
Rappelez-vous que les caractéristiques
principales d'un convertisseur digital / analogique sont :
Sa résolution :
c'est le nombre de niveaux analogiques que l'on recueille sur sa sortie.
Cette résolution est fonction du
nombre de bits sur lequel fonctionne le convertisseur.
Plus le nombre de bits est grand,
plus la résolution est importante. Avec 8 bits,
le convertisseur délivre 256 niveaux analogiques
de 0 volt
à la tension
maximale ; avec 9 bits, il
y a 512 niveaux et ainsi de suite.
Sa précision :
ce paramètre indique l'écart pouvant exister entre la tension réelle et la
tension théorique. La précision n'est pas liée à la résolution. un
convertisseur peut avoir une faible résolution, mais une grande précision.
Sa linéarité :
un convertisseur est linéaire si sa tension de sortie est proportionnelle au
nombre binaire présent sur son entrée.
La fin d'échelle
(full scale) : c'est la valeur maximale de la tension analogique que
le convertisseur peut fournir en sortie.
Son offset :
c'est la valeur de la tension de sortie lorsque toutes les entrées logiques
sont à zéro. Un convertisseur idéal a une tension d'offset (décalage) nulle.
Préparez le matériel suivant pour
exécuter l'ensemble des expériences qui vont suivre :
1 circuit intégré ADC 0804
1 circuit intégré LM 335
1 circuit intégré LM 747
1 circuit intégré MM 74C00
1 circuit intégré MM 74C74
1 circuit intégré MM 74C154
1 circuit intégré MM 74C193
1 résistance de 2,7 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 4,7 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 5,6 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
3 résistances de 10 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 22 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 39 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 82 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 résistance de 2,2 kW
- 1 / 4 W - tolérance 5 %
1 trimmer potentiométrique de 1
kW
1 trimmer potentiométrique de
10 kW
1 condensateur de 150 pF
2 condensateurs de 0,1 µF
1 condensateur électrolytique
au tantale de 10 µF - 10 Volts
1 tresse de fil souple (rouge et
noire) de 0,25 mm².
2. - PREMIÈRE EXPÉRIENCE : EXAMEN D'UN AMPLIFICATEUR
OPÉRATIONNEL
Il est nécessaire d'avoir quelques
notions sur les amplificateurs opérationnels,
qui sont des circuits analogiques, pour aborder l'examen des convertisseurs.
Ces derniers sont à la fois des
composants analogiques et des composants numériques.
Les amplificateurs opérationnels
sont des circuits intégrés à usage universel, à partir desquels on peut
concevoir un circuit analogique.
L'expérience qui suit va vous
permettre de vérifier le fonctionnement et les caractéristiques principales
d'un amplificateur opérationnel.
Sur la figure 1 est représenté le
brochage du circuit intégré LM 747 qui
sera utilisé dans les expériences qui vont suivre. Ce circuit comprend deux
amplificateurs opérationnels indépendants.
Chaque amplificateur opérationnel
possède une entrée inverseuse notée (-)
et une entrée non inverseuse notée (+).
Si l'on applique un signal sur l'entrée (-),
le signal de sortie est en opposition de phase par rapport à ce signal d'entrée.
Par contre, si l'on applique le signal sur l'entrée (+),
le signal de sortie est en phase avec celui d'entrée.
Les amplificateurs opérationnels
A
et B du circuit
LM
747 peuvent fonctionner avec une alimentation symétrique.
L'alimentation positive est appliquée
sur les broches 13 et
9,
tandis que l'alimentation négative commune est appliquée sur la
broche 4.
Dans l'expérience qui suit,
l'alimentation négative sera fournie par une pile de 4,5
volts.
Veillez à ce que la pile soit en
bon état (pile neuve).
2. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Enlevez de la matrice les
liaisons et les composants relatifs à l'expérience précédente.
b) Introduisez le circuit intégré
LM 747 sur la matrice comme indiqué figure
2-a.
c) Insérez les autres composants et
effectuez les liaisons indiquées sur cette même figure 2-a.
La figure 2-b représente le schéma électrique
du montage réalisé.
Il vous faut maintenant réaliser un
cordon pour relier la pile de 4,5 volts à
la matrice.
d) Pour cela, coupez deux
morceaux de fil souple, l'un rouge et l'autre noir et soudez deux pinces
crocodiles comme indiqué figure 2-a.
A l'autre extrémité des deux fils,
soudez un morceau de fil rigide étamé nu de 1 cm
de long environ.
Insérez les deux capuchons rouge et
noir comme indiqué figure 3 et torsadez les deux fils entre eux.
e) Reliez la pile de
4,5
volts à l'aide du cordon comme représenté figure 2-a.
Notez que c'est le
fil rouge qui est relié à la masse du digilab. Ne reliez pas, dans l'immédiat,
la pince crocodile noire au pôle (-) de la pile.
Premier essai :
a) Reliez la pince crocodile
noire au pôle (-) de la pile et mettez le
digilab sous tension.
b) Préparez le contrôleur
pour la mesure de tension C.C.
sur le calibre 10 volts et mesurez la tension
Ve
appliquée à l'entrée de l'amplificateur. Cette tension Ve
est située entre le point X qui correspond
à une borne de R1 et la masse du digilab
qui est également le pôle (+) de la pile.
Cette tension peut être positive,
nulle ou négative selon la position du curseur du trimmer.
Pour effectuer la mesure de
Ve,
posez la pointe de touche noire du contrôleur sur la masse et la pointe de
touche rouge sur le point X.
Si l'aiguille dévie à gauche de la
graduation 0, inversez les deux pointes de
touche car Ve est négative.
c) Reportez la valeur de
Ve dans la colonne de gauche du tableau de la figure 4.
Fig. 4. - Tableau des tensions
Ve et Vs de l'amplificateur opérationnel
Tension
d'entrée (Ve)
Tension
de sortie (Vs)
d) Mesurez de la même façon
la tension Vs correspondant à
Ve
en reliant les pointes de touche du contrôleur au point Y et à la masse.
e) Reportez cette valeur dans
la deuxième colonne (Vs) du tableau de la
figure 4. A chaque fois, n'omettez pas d'indiquer le signe de la tension mesurée.
f) Effectuez une série de
mesures pour Ve et Vs
en jouant sur le trimmer P. Vous pouvez
ainsi parcourir toutes les valeurs possibles en entrée de -
4,5 volts à + 5 volts par
exemple.
Reportez quelques valeurs (Ve
et Vs) dans le tableau (figure4).
Observez ce tableau, vous constatez
que Ve et
Vs
sont égales mais de signe contraire, si vous mesurez +
1,5 volt pour Ve, Vs
vaudra - 1,5 volt et ainsi de suite.
g) Nous allons calculer le
gain G de l'amplificateur. Nous avons la
relation :
Par exemple, avec
Vs
= - 1,5 volt et Ve = + 1,5 volt,
gain = - 1,5 / + 1,5 = - 1
Ce circuit à donc un gain unitaire
(G = - 1) et il inverse le signal d'entrée.
Vous avez pu remarquer également
qu'il existe une plage de tension pour la tension Ve,
pour laquelle l'amplificateur a un gain de - 1,
mais qu'au-delà de cette plage, ce gain n'est plus respecté.
En effet, la tension de sortie
maximale se situe à environ + 4,5 volts et
la tension minimale à - 2,5 volts.
h) Mettez le digilab hors
tension et débranchez la pile.
a) Retirez la résistance
R2
de 10 kW
(figure 2),
reliée entre les broches 1 et
12
du LM 747 et remplacez-là par une résistance
de 22 kW.
b) Branchez la pile et mettez
le digilab sous tension.
c) Effectuez la même série
de mesures que précédemment et reportez l'ensemble des valeurs dans un tableau
identique à celui de la figure 4.
Vous observez cette fois que, pour
une tension Ve égale à
+
1 volt, la tension de sortie
Vs
atteint déjà - 2,5 volts, c'est-à-dire la
limite inférieure pour la sortie de l'amplificateur opérationnel. De la même
façon, lorsque la tension Ve atteint
-
2 volts, la tension Vs atteint la
limite supérieure qui est + 4,5
volts.
Lorsque la tension d'entrée
Ve
est située à l'extérieur de la plage - 2 volts
à + 1 volt, l'amplificateur est
saturé.
Les deux valeurs limites en sortie
de l'amplificateur sont fonction des valeurs des alimentations positive et négative
du circuit intégré.
En général, un amplificateur opérationnel
est alimenté par des tensions de valeurs supérieures à celles de l'expérience
présente (par exemple :+ 15 volts
et - 15 volts).
d) Pour ce dernier essai, le
gain G vaut :G = Vs / Ve = - 2,2
Cette formule n'est
valable que si l'amplificateur et non saturé.
On obtient Vs
= - 2,2 x Ve
e) Remplacez
R2
par une autre résistance de 39 kW
et faites une série de mesures comme précédemment. Veillez à rester dans une
plage de tension d'entrée telle que l'amplificateur ne soit pas en saturation.
Calculez le gain G
:
Vous devez trouver
- 3,9 environ.
Note :
En raison de la tolérance sur la
valeur des résistances R1 et
R2
ainsi que de la précision du contrôleur, les tensions relevées pendant les
essais, et en conséquence les gains calculés, peuvent être sensiblement différents
des valeurs données dans cette pratique.
Par commodité, la valeur de la résistance
R3 n'a pas été modifiée à chaque fois
que l'on a changé la valeur de R2.
Cependant, il aurait fallu adapter pour chaque série de mesures la valeur de R3.
Nous reviendrons sur ce problème.
Ces différents essais vous ont
permis de vérifier la formule déjà vue en théorie :
R2
est la résistance de contre-réaction et R1
est la résistance d'entrée.
Dans le premier essai,
R1 = R2 = 10 kW
et le gain
G
vaut
- R2 / R1 = - 104 / 104 = - 1
Dans le deuxième essai
G
= - (2,2 x 104) / 104 = - 2,2
Pour le dernier essai
G
= (3,9 x 104) / 104 = - 3,9
En conclusion, on peut donner la
formule suivante :
f) Cette expérience est
terminée, aussi mettez le digilab hors tension.
En résumé, cette expérience vous
a permis de voir le fonctionnement d'un amplificateur opérationnel monté en
amplificateur de tension inverseur.
Cet amplificateur opérationnel nécessite
deux tensions d'alimentations, l'une positive, l'autre négative. Cette caractéristique
est commune à beaucoup de circuits analogiques.
La résistance R3,
reliée à l'entrée non inverseuse (broche 2)
du LM 747 a pour fonction de minimiser la
tension d'offset en sortie. Cette résistance R3
doit être équivalente à la résistance que "voit" l'entrée inverseuse.
Cette dernière est constituée par
la mise en parallèle de R1 et
R2
sans omettre le trimmer en série avec R1.
La résistance équivalente de ce
trimmer pour l'entrée inverseuse varie de 0
W à
250 W.
Cette résistance est nulle quand le curseur du trimmer est situé à l'une des
deux extrémités et elle est maximale (250
W)
quand le curseur est situé au milieu du trimmer. Dans ce cas, on a 500
W
en parallèle avec
500 W,
ce qui donne bien une valeur de 250
W.
Finalement, on a (R1
+ 250 W)
en parallèle avec R2, soit
10
250 W
// 10 kW
ce qui donne
5 061 W.
Dans cette expérience, la résistance
R3 vaut
5,6 kW.
Préparation du matériel
Sa résolution :
c'est le nombre de niveaux analogiques que l'on recueille sur sa sortie.
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