des résultats expérimentaux d'un amplificateur à base de uA 741

Comprendre l'électronique par la simulation.
par Serge Dusausay  Espace lecteur  plan du site

Article 14	Quelques informations supplémentaires des pages 91 à 96 du livre.
Pour cet article, consultez également le courrier des lecteurs

L'exemple de l'amplificateur inverseur à base d'un amplificateur opérationnel est un "classique" de Travaux Pratiques pour des étudiants en électronique.
Les simulations proposées dans le livre montrent le fonctionnement basique de ce montage, réalisé avec un uA 741.
Il est proposé ci dessous quelques renseignements supplémentaires, confirmant la prédétermination établie par le duo théorie/simulation.

Le montage câblé est identique à celui présenté en page 92.
Les résistances sont à 5 %. L'alimentation est +- 15 V.

1) Réponse harmonique

1.a Manipulation
Le signal d'entrée est sinusoïdal.
Son amplitude doit être "petits signaux", afin de travailler dans le mode linéaire de tout le montage. Mais afin de mesurer dans de bonnes conditions le signal de sortie (qui peut être noyé dans le bruit en dehors de la bande passante), il est nécessaire de travailler avec une amplitude "suffisante".
Un compromis est une amplitude de 40 mV. Cette valeur a été adoptée après une vérification rapide de non déformation du signal de sortie tout le long de la bande passante.
Le GBF doit pouvoir atteindre plusieurs MHz sans déformation de signal.
L'oscilloscope peut être en AC, cela retire sur l'oscillogramme la composante continue due à l'offset, de l'association GBF + Ampli Op.

1.b Résultats
- En milieu de bande (vers quelques kHz), le signal de sortie est de 400 mV d'amplitude, en opposition de phase avec l'entrée.
Cela confirme l'étude théorique.
- On cherche la fréquence pour laquelle le signal de sortie est atténué d'un coefficient de 0,707, soit une perte de 3 dB. Expérimentalement, on trouve 111 kHz (283 mV d'amplitude de sortie pour le même signal d'entrée).
- On peut en conclure un gain de 20 dB et une bande passante de 111 kHz.
- En plus haute fréquence, la sortie présente un signal plus faible : à 1,08 MHz, le signal de sortie est une sinusoïde de 40 mV. On se trouve à la fréquence de transition de l'amplificateur, le gain étant de 0 dB.

Ces valeurs sont très proches de celles publiées dans le livre.
Les écarts sont liés à la différence entre le comportement de l'amplificateur opérationnel réel utilisé, et le macromodèle du uA741.

2) Réponse en régime sinusoïdal

Le signal d'entrée est toujours sinusoïdal.
Comme dans le livre, nous allons montrer quelques cas de figure.

2.a Dans la bande passante
On reprend les conditions de la page 94. Le signal d'entrée a 1 V d'amplitude, et la fréquence de 8 kHz.
Est présenté ci dessous :
- le signal d'entrée,
- le signal de sortie.


Amplificateur dans la bande passante
50 us / carreau	haut : CH1 : 2 V / c	bas : CH2 : 5 V / c

Interprétation :
Le signal de sortie est en opposition de phase, d'amplitude 10 fois celle de l'entrée (lire les mesures).
A un coefficient près (appliqué à l'entrée ET à la sortie), ce point est un de ceux de la réponse harmonique du paragraphe précédent.

2.b En dehors de la bande passante
On suit le déroulement indiqué en page 94.
Le signal d'entrée a 10 mV d'amplitude, et la fréquence est de 500 kHz.
Est présenté ci dessous :
- le signal d'entrée,
- le signal de sortie.


Amplificateur hors bande passante
500 ns / carreau	haut : CH1 : 10 mV / c	bas : CH2 : 10 mV / c

Interprétation :
A ce niveau de signal, et sans précaution particulière, les mesures s'accompagnent de bruit.
Le signal de sortie est altéré, mais on "reconnait" néanmoins une sinusoïde déphasée dont l'amplitude est de 22 mV environ (45 mV crête à crête).
Si l'amplificateur opérationnel était parfait, on devrait avoir une amplitude de sortie de 100 mV. Ce phénomène de perte de gain en haute fréquence (-3 dB à 111 kHz) est donc très visible, ici, à 500 kHz (où l'atténuation est de 13 dB).

2.c Phénomène de slew rate
Le signal d'entrée a 1 V d'amplitude, et la fréquence de 20 kHz.
D'après les essais précédents, on se trouve dans la bande passante de l'amplificateur, et on attend en sortie une sinusoïde de 10 V d'amplitude, ce qui est possible par un amplificateur opérationnel alimenté en +-15 V.

Est présenté ci dessous :
- le signal d'entrée,
- le signal de sortie.


Phénomène de slew rate, dès 20 kHz
20 us / carreau	haut : CH1 : 1 V / c	bas : CH2 : 5 V / c

Interprétation :
Le signal de sortie n'a pas une allure sinusoïdale, et est triangularisé. Ce phénomène est le slew rate, comme montré en page 95 de l'article, et expliqué en pages 294 et 295 dans la notion de cours sur l'amplificateur opérationnel réel.
Il est clair qu'avec une telle limitation de pente, le signal ne peut plus évoluer entre - 10 V et + 10 V à cette fréquence. Ici, la dynamique n'est plus que de 18 V.
Remarques :
- une mesure de pente permet de chiffrer à 0,8 V/us, ce qui est l'ordre de grandeur pour cet ampli Op.
- le phénomène de slew rate est reconnaissable par une triangularisation du signal. A 30 kHz, cela est encore plus visible, comme montré ci dessous :


Phénomène de slew rate, à 30 kHz
10 us / carreau	haut : CH1 : 1 V / c	bas : CH2 : 5 V / c

En conclusion, les simulations présentées dans l'ouvrage sont confirmées par ces simples essais pratiques. On peut ainsi parler de validation du modèle, du moins dans le type de simulation abordé.
C'est ainsi que l'on exploite le même amplificateur opérationnel dans l'article suivant : un exemple de filtre actif.

fin de l'article 14

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