LM741 Mania: Circuits de Base

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mardi 26 février 2013

AOP à Tubes

Je vous présente aujourd'hui un billet qui plaira à tout ceux qui comme moi affectionnent la chaleureuse lueur des filaments de tungstène incandescent de ces vieux tubes électroniques. Il faut se rappeler que les amplificateurs opérationnels ont été développés au court de la seconde guerre mondiale, à l'époque de l'électronique à tubes pour la construction de calculateurs analogiques. Le terme lui-même d'amplificateur opérationnel ( Operational Amplifier ) fut introduit par John R. Ragazzini en 1947. Un amplificateur opérationnel à lampe électronique ressemblerait en principe au schémas suivant:

Le principe de fonctionnement du circuit ci-dessus est assez simple à comprendre car c'est le même circuit qu'avec une TECJ (transistor à effet de champs à jonction). Les deux triodes sont idéalement situées dans le même tube (triode double) ceci dans le but de limiter la dérive. Une forme améliorée et plus performante de notre ampli-op à tube pourrait être construite ainsi:

Les deux premières triodes (celles de gauche) constituent une paire différentielle, convertissant la différence de tension entre les entrées en un seul signal, amplifié qui est ensuite passé par un diviseur de tension (R2-R4) à la grille de la triode de gauche de la seconde paire. Cette triode amplifie et inverse le signal fourni par la paire différentielle. Puis le ce signal amplifié est appliqué à la seconde triode (complètement à droite) qui est montée en amplificateur non-inverseur augmentant encore d'avantage le gain. Les tubes (ampoules) au néon agisse à titre de régulateur de tension. Ils sont les équivalents 'tube' des diodes zener. Elle fournissent une tension de polarisation entre les deux triodes.

Ce circuit reste un circuit de base malgré qu'il fut utilisé commercialement dans les années 1950. Des circuits plus élaborés permettront de meilleurs performances. Par exemple, la stabilisation par hachage (chopper stabilization) inventé par Edwin A. Goldberg en 1949 améliore grandement la stabilité des amplificateurs à tube. Un amplificateur à stabilisation par hachage emplois un second amplificateur, haut gain, à couplage C.A. L'entrée du hacheur couplé en c.a. sur l'entrée inverseuse de l'amplis principale c.c. tandis qu'un commutateur bascule périodiquement l'entrée du hacheur sur la masse selon une fréquence de 60Hz à 400Hz. L'action de la commutation hache le signal c.c. en un signal c.a. qui est grandement amplifier (1000 fois et plus). La sortie du hacheur est redressé et filtré puis appliquer à la seconde entrée de l'amplificateur principal. Il en résulte que la dérive est réduite d'un ordre de grandeur comparable au gain du hacheur.

Avec une stabilisation par hachage un AOP peut avoir une tension de décalage stable à quelques µV près et sa dérive est assez lente pour qu'un ajustement manuel du zéro ne soit plus nécessaire. Il y a cependant des inconvénient à cette technique, rien n'est gratuit en ce monde. L'architecture d'un hacheur élémentaire comme celui décrit ci-dessus utilise la seconde entrée (l'entrée non-inverseuse) de l'AOP pour appliquer la tension c.c. de correction du signal. C'est pourquoi tout les anciens AOP de ce genre opéraient en mode inverseur uniquement. Avec le temps, des amélioration à l'architecture des amplificateurs à hacheur seront développé qui élimineront cette contrainte rendant disponible des AOPs de haute-précision dans tout les modes.

L'auteur n'assume AUCUNE responsabilité concernant les conséquences pouvant découler de l'usage des circuits ou de toute erreur de conception. Ses informations sont fournis tel quel sans aucune garantie.

©2013

mercredi 3 octobre 2012

Comparateur à fenêtre

Le comparateur à fenêtre est compte parmi les circuits les plus versatiles et utiles. Son principe est fort simple, tant que la tension d'entrée Ve est comprise entre VRef (bas) et VRef (haut) la tension de sortie est au niveau bas. Si la tension d'entrée se trouve en de ça de VRef (bas) ou au dessus de VRef (haut) alors la tension de sortie Vs sera au niveau haut.

Le graphique ci-dessous illustre clairement le fonctionnement d'un comparateur à fenêtre.

Comparateurs

Un comparateur est un circuit analogique qui compare deux source de tension entre elle. L'une de ces tension est appelé tension de référence (VRef) l'autre tension d'entrée (Ve). Lorsque la tension Ve passe au dessous ou au dessus de VRef la tension présente à la sortie du circuit (Vs) bascule. Il existe deux types de comparateur soit, le comparateur non-inverseur et le comparateur inverseur.

Le schéma ci-plus bas, illustre un comparateur non-inverseur, dans ce type de comparateur la tension de référence est appliquée sur l'entrée négative ou inverseuse de l'AOP.

Le graphique ci-dessous illustre le fonctionnement d'un comparateur non-inverseur.

Le schéma suivant, présente un comparateur inverseur, dans ce type de comparateur la tension de référence est appliquée sur l'entrée positive ou non-inverseuse de l'AOP.

Le graphique ci-dessous illustre le fonctionnement d'un comparateur inverseur.

Certains AOP, comme le 339, sont spécifiquement conçus pour agir à titre de comparateur. Néanmoins, en raison de leur gain en boucle ouverte très élevé, n'importe quel AOP monté en sans boucle de rétroaction (i.e. boucle ouverte) peut servir de comparateur.

dimanche 28 novembre 2010

La bascule de Schmitt

La bascule de Schmitt,inventé en 1934 par l'ingénieur américain Otto Schmitt, est un dispositif dont la sortie bascule d'un état à un autre à des seuils de tension différent pour l'un et l'autre des états. On nomme ce phénomène un hystérésis. La bascule passe à l'état haut quand la tension d'entrée est à un certain niveau et bascule à un état bas quand celle-ci se trouve à un autre niveau. Toute tension d'entrée entre les deux laisse la sortie inchangée. Elle se construit au moyen d'un AOP en comparateur. Et s'avère d'une grande utilité pour éliminer le bruit présent dans un signal numérique.

Le diviseur de tension formée par les résistance R1 et R2 fourni un réaction de tension positive sur l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur. si la tension de sortie de l'amplificateur est saturée positivement une tension positive est réinjectée dans l'entrée non inverseuse ce qui assure le maintient de la sortie dans un état de saturation positive (état haut). Si au contraire la tension de sortie de l'amplificateur est saturée négativement une tension négative est réinjecté dans l'entrée non-inverseuse ce qui assure le maintient de la sortie dans un état de saturation négative (état bas).

Le taux de réaction peut être calculé au moyen de l'équation suivante,

B = R2 / (R1+ R2)

La tension de polarisation appliquée à l'entrée non-inverseuse de l'AOP peut être obtenu par la formule suivante,

Vpol = BVsat

où B est le taux de réaction et Vsat la tension de saturation (positive à l'état haut et négative à l'état bas). Les deux tension de polarisations, celle calculée avec le Vsat de la sortie haute Vpol+ et celle calculée avec le Vsat la sortie basse Vpol-, correspondent au seuil de basculement.

Ces points de basculement interviennent quand la tension d'entrée Ve est suffisament grande (en positif ou négatif) pour annuler l'effet de la rétroaction. Quand la tension de sortie est saturée positivement la tension Ve doit être supérieure à la tension de polarisation Vpol+. Et quand la sortie est saturée par une tension négative Ve doit alors être une tension négative inférieur à Vpol-.

Le condensateur C1 en parallèle avec R1 est un condensateur dit accélérateur qui annule l'effet de retard engendré par le condensateur parasite Cp apparaissant entre les borne de R2. Cette capacité parasite Cp induit un retard car elle doit être chargée/déchargée avant que la tension de polarisation ne puisse changer.

Pour neutraliser les effets de cette capacité parasites, il faut que la cellule de retard formée par Cp et R2 soit contrebalancée par la cellule accélératrice formée par C1 et R2. Ce qui s'exprime dans l'équation suivante,

C1R1 >= CpR2

Par conséquent on peut obtenir la valeur de C1 au moyen de la formule ci-dessous,

C1 = Cp(R2/R1)

où C1 est la capacité d'accélération, Cp la capacité parasite, R1 la résistance de réaction et R2 la résistance entre l'entrée non-inverseuse et la masse.

L'usage d'un condensateur accélérateur n'est pas obligatoire, il n'est nécessaire que si ce retard induit par Cp devient un problème.

Voici un exemple de bascule de Schmitt muni d'un condensateur accélérateur,

L'auteur n'assume AUCUNE responsabilité concernant les conséquences pouvant découler de l'usage des circuits ou de toute erreur de conception. Ces informations sont fournies tel quel sans aucune garantie.

mardi 23 novembre 2010

Amplificateur différentiateur

L'amplificateur différentiateur est comme sont nom l'indique un circuit qui procède à la dérivée, au sens mathématique, du signal présenté à son entrée. Ainsi, la tension de sortie est proportionnelle à la pente de la courbe du signal d'entrée.

Dans terme plus prosaïque, plus le signal d'entrée montera rapidement plus la valeur de sortie sera positive. Et inversement plus il baissera plus la tension de sortie sera négative. Et si la tension d'entrée ne charge pas alors la sortie sera à zéro volt. Bien entendu tout cela dans les limites de saturation de l'amplificateur. Par exemple, une onde carrée produira à la sortie deux impulsions une sur le front montant et une autre sur le front descendant de l'onde carrée.

Le temps dérivation peut être calculé par l'entremise de l'équation suivante,

T = R2C1

Plus ce temps de dérivation sera court, plus le différentiateur sera capable de produire des impulsions étroites mais il y a une contre partie.

La résistance R1, montée en série avec le condensateur C1, à pour fonction d'empêcher les oscillations à haute fréquence. La valeur de la résistance R1 peut être calculé par l'équation suivante,

R1 = R2/10

Exemple d'intégrateur construit autour d'un 741,

Amplificateur intégrateur

L'amplificateur Intégrateur est comme sont nom l'indique un circuit qui procède à l'intégration, au sens mathématique, du signal présenté à son entrée. Ainsi, la tension de sortie est proportionnelle à l'air sous la courbe du signal d'entrée.

Dans terme plus prosaïque, aussi longtemps que le signal d'entrée reste au-dessus de 0 volt la valeur de sortie monte. Et inversement plus il reste à une tension négative plus la tension de sortie baisse. Bien entendu l'un comme l'autre n'est valide que dans les limites de saturation de l'amplificateur. Par exemple, une onde carrée produira à la sortie une onde triangulaire.

Le temps d'intégration doit être nettement plus long que la fréquence la plus basse du signal d'entrée pour que l'intégrateur fonctionne correctement. Ce temps d'intégration peut être calculé par l'entremise de l'équation suivante,

T= R2C1

La valeur de la résistance R2 peut être calculé par l'équation suivante,

R2 >= 10R1

La valeur de la résistance R3 est obtenu au moyen de la formule suivante,

R3 = R1R2 / (R1+R2)

Exemple d'intégrateur construit autour d'un 741,

Voici un autre exemple mais qui cette fois comporte une fonction de Remise à Zéro, RàZ qui peut s'avérer utile dans certaines situations. Le TECJ décharge le condensateur C1 lorsque sa polarisation (entrée RàZ) passe d'une tension négative de blocage à 0V.

/!\ Attention, La tension sur l'entrée RàZ NE DOIT JAMAIS être supérieure à 0V sans quoi le transistor TECJ risque d'être endommagé!

jeudi 18 novembre 2010

Amplificateur de différence

L'amplificateur de différence est un amplificateur inverseur modifié. La tension de sortie Vs est égale à la différence entre les tensions d'entrée Ve2 et Ve1 qui se calcul au moyen de l'équation suivante,

Vs = Ve2 - Ve1

L'exemple suivant est un sommateur à deux entrées , la valeur des résistances R1, R2, R3 et R4 doit être identiques ici 100K. La tension V+ est de +5V, la tension V- de -5V la masse est à 0V. Les broches 1 et 5 qui corrige la tension de décalage (offset) sont mises à la masse, elles ne figurent pas sur le schéma pour des raisons de clarté.

Amplificateur sommateur

L'amplificateur sommateur est un amplificateur inverseur, dont la résistance d'entrée R1 à été dupliqué pour créer des entrées supplémentaires. Pour ajouter une nouvelle entrée, il suffit donc d'ajouter une nouvelle résistance. Dans notre exemple à deux entrées nous avons R1 et R2 comme résistance d'entrée.

Le gain (l'amplification) est calculé par l'équation suivante,

A = -(R4 / R1)

La sortie de l'amplificateur sommateur est la somme des tensions d'entrée. La somme des entrées ne doit être comprise entre V+ et V- sans quoi le signal sera écrêté.La tension de sortie Vs du signal sera donc le produit du gain A par la tension d'entrée Ve tel que donné par l'équation suivante,

Vs = A (Ve1+Ve2+...)

où Vs est la tension de sortie, A le gain en tension et Ve1, Ve2,... la tension des différentes entrées de l'amplificateur.

L'exemple suivant est un sommateur à deux entrées avec un gain de -1, suiveur-inverseur, la valeur des résistances R1, R2 et R4 doivent être identiques ici 10K. La tension V+ est de +5V, la tension V- de -5V la masse est à 0V. Les broches 1 et 5 qui corrige la tension de décalage (offset) sont mises à la masse, elles ne figurent pas sur le schéma pour des raisons de clarté.

Amplificateur en transimpédance (I➝V)

On appel également cet amplificateur un convertisseur courant-tension parce que le courant d'entrée Ie commande la tension de sortie Vs. La grandeur de cette tension peut être obtenue au moyen de la formule suivante,

Vs = R Ie

où Ie est le courant d'entrée, Vs la tension à la sortie de l'amplificateur, et R la résistance de rétroaction. La transimpédance est, pour sa part, calculable par l'équation suivante,

Tr = Vs / Ie = R

Exemple d'application, un photomètre à photopile (pile solaire). Le courant de la photopile est convertit en tension, le gain en transimpédance est ajusté par la résistance variable de 1 MΩ. La tension V+ est de +5V, la tension V- de -5V la masse est à 0V. Les broches 1 et 5 qui corrige la tension décalage (offset) sont mises à la masse, elles ne figurent pas sur le schéma pour des raisons de clarté.

mercredi 17 novembre 2010

Amplificateur à transconductance (V➝I)

On appel également cet amplificateur un convertisseur tension-courant parce que la tension d'entrée commande le courant de sortie. La valeur de ce courant peut être obtenu au moyen la formule suivante,

Is = Ve / R

où Is est le courant de sortie, Ve la tension à l'entrée de l'amplificateur, et R la résistance de rétroaction. La transconductance g est évaluée par l'équation suivante:

g = 1 / R

L'impédance de sortie Zs peut être calculée au moyen de la formule suivante,

Zs = (1+A)R

où A est le gain en tension en boucle ouverte et R la résistance de rétroaction.

Exemple d'application, gradateur pour DEL le potentiomètre de 10K contrôle l'intensité du courant circulant dans la DEL. La tension V+ est de +5V, la tension V- de -5V la masse est à 0V. Les broches 1 et 5 qui corrigent la tension de décalage (offset) sont mises à la masse, elles ne figurent pas sur le schéma pour des raisons de clarté.

/!\ Prendre garde à ne pas faire passer un courant trop élevé dans la DEL car celle-ci pourrait être endommagée.

Amplificateur non-inverseur

Dans un amplificateur non-inverseur à boucle fermée, la tension d'entrée est reportée à la sortie amplifiée. Le gain (l'amplification) est calculé par l'équation suivante:

A = 1+(R2 / R1)

La tension de sortie Vs du signal sera donc le produit du gain A par la tension d'entrée Ve tel que donné par l'équation suivante:

Vs = A Ve

Par exemple, si R1 = 1000 ohms et que R2 = 10000 ohms alors le gain sera de 11. Ce qui signifie que l'amplitude du signal à la sortie sera 11 fois plus grande.

Même circuit avec brochage du 741 DIP8

NB: Les broches 1 et 5 du 741 servant à corriger la tension de décalage (offset) sont mises à la masse, elles ne figurent pas sur le schémas pour des raisons de clarté.

mardi 16 novembre 2010

Amplificateur Inverseur

Dans un amplificateur inverseur en boucle fermée, la tension d'entrée est reportée à la sortie amplifiée et inverser. Le gain (l'amplification) est calculé par l'équation suivante

A = -(R2 / R1)

La tension de sortie Vs du signal sera donc le produit du gain A par la tension d'entrée Ve tel que donné par l'équation suivante:

Vs = A Ve

Par exemple, si R1 = 1000 ohms et que R2 = 10000 ohms alors le gain sera de -10. Ce qui signifie que l'amplitude du signal sera 10 fois plus grande mais inversée. La valeur de résistance R3 est calculée par l'équation suivante:

R3 = (R1R2) / (R1+R2)

Les courants de polarisation (qui passe par les entrées - et +) créent une chute de tension aux bornes des composants du circuit, créant ainsi une tension d'offset. Il est possible de réduire cette tension de décalage en insérant entre la masse et l'entrée non-inverseuse une résistance R3 de même valeur que la résistance équivalente du circuit vue de l'entrée inverseuse. De cette façon, on crée une chute de tension équivalente entre les deux entrées de l'AOP.

Même circuit avec brochage du 741 DIP8

N.B.: Les broches 1 et 5 du 741 servant à corriger la tension de décalage (offset) sont mises à la masse, elles ne figurent pas sur le schémas pour des raisons de clarté.