Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Amplifier des tensions est essentiel quand celles-ci sont tout juste perceptibles. Les montages électroniques d’amplification de tension les plus populaires sont réalisés à l'aide d'amplificateurs opérationnels (AOP). Cet article aborde les concepts de base de l’amplification de tension et le fonctionnement des AOP, dont il propose un modèle idéalisé. Il présente les caractéristiques des montages élémentaires et insiste sur les problématiques du choix de l’alimentation, du comportement en fonction de la fréquence et du bruit. Il montre également que, selon le degré de précision désiré, il est nécessaire de prendre en compte certaines imperfections des AOP.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Farouk VALLETTE : Enseignant-chercheur - Sorbonne Université, CNRS UMR7606, Laboratoire d’Informatique de Paris 6 (LIP6), Paris, France
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Geoffroy KLISNICK : Enseignant-chercheur - Sorbonne Université, CNRS, UMR8507, Laboratoire Génie Électrique et Électronique de Paris (GeePs), Paris, France
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Sylvain FERUGLIO : Enseignant-chercheur - Sorbonne Université, CNRS UMR7606, Laboratoire d’Informatique de Paris 6 (LIP6), Paris, France
INTRODUCTION
L’amplification d’un signal électrique est une étape essentielle dans le domaine de l’électronique analogique, notamment pour la récupération et le traitement d’une information émanant d’un capteur, d’une antenne ou, plus généralement, d’un transducteur. Sans cette fonction, les variations du signal observé (donc de la grandeur physique) ne seront pas nécessairement perceptibles, notamment en raison d’une amplitude trop faible en sortie du capteur, qui rend impossible un traitement postérieur, mais aussi du fait de la présence inéluctable du bruit intrinsèque et de signaux parasites.
Dans le cadre de cet article, nous nous focalisons sur l’amplification de tensions de faibles amplitudes en basses fréquences (BF) à l'aide d'amplificateurs opérationnels (AOP). Son analyse repose sur des méthodes relativement accessibles, en lien avec la théorie des circuits (loi des nœuds, loi des mailles, loi d’Ohms, etc.). L’amplification à base de transistors aurait pu être abordée. Mais elle aurait alourdi de manière significative le document, rendant sa lecture difficile et l’acquisition des connaissances complexes. Des éléments de réponse pourront toutefois être trouvés dans [E 2 427], [E 2 430]. L'étude des amplificateurs fonctionnant à hautes fréquences (HF) se base sur des méthodes d'analyse plus spécifiques, où l’on ne raisonne plus en tension ou en courant, ce qui n’est pas l’objet de cet article. Si nécessaire, on pourra alors se référer aux articles [R 310], [E 1 428], [E 1 610], [E 1 612]. De même, les amplificateurs de puissance, qui s’intéressent à des signaux d’amplitude importante et pour lesquels les non-linéarités sont à considérer, ne seront pas traités. Mais, là encore des informations pertinentes sont données dans les quatre références précédentes.
Après avoir introduit les concepts de base de l’amplification de tension, un modèle idéalisé de l’amplificateur opérationnel est proposé et appliqué dans l’analyse de quelques montages amplificateurs de tensions. Les applications dans les systèmes embarqués à faible consommation étant de plus en plus nombreuses, une attention est portée aux problématiques liées au choix de l’alimentation. Quelques-unes des caractéristiques réelles de l’AOP et leur incidence sur les performances des circuits étudiés, notamment le comportement en fréquence et l’influence du bruit, sont exposées.
Au-delà de ces aspects techniques classiques, cet article se veut pédagogique et présente des concepts pratiques pour rendre le lecteur opérationnel face à cette problématique essentielle qu’est l’amplification BF de tension de faibles amplitudes. Il met aussi en lumière les bonnes pratiques et les erreurs à éviter.
Avant la lecture de cet article, les novices dans le domaine de l’électronique pourront acquérir les bases nécessaires à sa compréhension à travers [E 100], [E 102], [E 104], [E 130], [E 110], [E 120], R 7 010].
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VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2002 par Patrick ALDEBERT
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Quelques caractéristiques additionnelles de l'AOP réel4. Comportement fréquentiel
Ici, le comportement fréquentiel des amplificateurs de tensions sera décrit en les liant aux problématiques temporelles que sont les temps de montée/descente et la stabilité dynamique. Le gain GV d'un amplificateur de tension dépend de la fréquence. Il dépend principalement de 2 paramètres : le gain en tension dans la bande passante GV0 et la fréquence de coupure fC. Dans ce paragraphe, il est montré comment établir le produit gain-bande, GBW d'un amplificateur de tension.
Dans un souci pédagogique, les réponses fréquentielles qui sont présentées (en échelle log-log) ne sont pas les courbes réelles. Les courbes asymptotiques sont les plus intéressantes, car elles permettent de visualiser clairement les changements de direction asymptotique induits par les pôles ou les zéros des fonctions de transfert.
4.1 Gain différentiel et notion de compensation jusqu’au gain unité
Le gain différentiel,
, de l’AOP est fonction de la fréquence de la tension d’entrée. Il est modélisé par la fonction (appelée communément fonction de transfert) à deux pôles présentée ci-dessous. La fonction peut contenir plus de pôles, mais leur influence étant négligeable en BF, on ne s’en préoccupera pas :
avec :
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- gain différentiel à...
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Comportement fréquentiel
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LATORRE (B.), BERLAND (C.), DE DIEULEVEULT (F.), DELABIE (C.), FRANÇAIS (O.), POULICHET (P.) - Électronique analogique. - Dunod (2018).
-
(2) - REDON (M.) - Cours d’électronique analogique. - Maîtrise EEA UPMC (2001).
-
(3) - SEDRA (S.A.), SMITH (K.C.) - Microelectronic Circuits (6th Edition). - Oxford University Press Inc International Edition (2010).
-
(4) - MANCINI - OpAmps For Everyone. - SLOD006B. Texas Instruments (2002).
-
(5) - VASILESCU (G.) - Bruits et signaux parasites. - Dunod (1999).
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(6) - HEYMAN (P.), RUDOLPH (M.) - A guide to noise in microwave circuits. - Wiley & IEEE press (2022).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Représentations d’un système linéaire – Extension aux systèmes incertains.
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Unités légales et facteurs de conversion.
-
Architectures des amplificateurs de puissance RF et hyperfréquence.
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...
Les normes et standards sont nombreux dans ce domaine. Ils sont liés à des organismes internationaux, dont :
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IEC (International Electrotechnical Commission) : organisation internationale de normalisation dans les domaines en lien avec l'électricité, l'électronique, la compatibilité électromagnétique et les micro- et nano-technologies. Cette organisation définit notamment les caractéristiques des composants électroniques semi-conducteurs, y compris les AOP (exemple : IEC 60747-5 (paramètres pour dispositifs à semi-conducteurs), IEC 60617 (symboles graphiques pour schémas électriques)) ;
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IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) : association professionnelle d’ingénieurs. Elle contribue aux normes du domaine de l’électronique et des domaines connexes via l’IEEE Standards Association (exemple : le standard IEEE 1057 contient des définitions utiles pour les amplificateurs intégrés...
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