Traitement du signal : l’amplification

P.G Lycée Vaucanson 17 novembre 2014

STI2D_SIN_4_Electronique.docx STI2D SIN

Traitement du signal : l’amplification

1 Rappel .......................................................................................... 2

2 Propriété d’un amplificateur de tension ................................................. 3

3 Mise en œuvre d’un amplificateur intégré .............................................. 4

4 L’amplificateur opérationnel .............................................................. 4

5 Défaut .......................................................................................... 8

Electronique cours n°4/6



1 Rappel Acquisition d’un signal, nécessité de l’amplification.

Première étape :

A

Amplification

F

emV

Conversion

Ex

Traitement

Nx

Vréf

CAN

N

Un capteur de poids délivre une tension de 2mV pour une masse maximale de 3Kg. Le convertisseur CAN utilisé à une tension Vréf de 2,048V :

déterminer le coefficient d’amplification A pour obtenir Ex=Vréf pour le poids maximal.

A = 2,048 / 2 E-3 = 1024

Le nombre de bit du convertisseur est de 8 donner :

la valeur du quantum

q = 2,048 / 256 = 8 mV

la plus petit masse observable

mmini = 3 000 / 256 = 11,718 gr



Le convertisseur a maintenant un nombre de bit de 18 donner la valeur du quantum q et la plus petite masse mesurable :

q = 2,048 / 2^18 = 7,8125 µV

mmini = 11,44 mg

2 Propriété d’un amplificateur de tension Un amplificateur de tension, signal de microphone par exemple :

A

Vin Vout

Caractéristiques de l’amplificateur idéal :

Quelques valeurs très utilisées en électronique :

Donner l’amplification correspondant à un gain de – 3 dB :

A = 10 -3/20

= 0,707

Donner l’amplification correspondant à un gain de 70 dB :

A = 10 70/20

= 3162

Observation un gain positif le signal est amplifié / un gain négatif le signal est atténué tout l’enjeux en électronique consiste à amplifier les signaux utiles et à atténuer les bruits de mesures, d’alimentation etc..

AVinVout

Les deux signaux sont en phases.

Le facteur d’amplification ici A=2

Le gain est donné par :

G = 20 log ( A ) en dB ( décibel )

G = 20 log ( Vout / Vin )

A = 10 G / 20



3 Mise en œuvre d’un amplificateur intégré Nous utilisons un amplificateur de tension dit amplificateur d’instrumentation tout intégré le schéma interne du composant est donné ci-dessous :

C’est la valeur de la résistance RG qui fixe le gain donc donner la valeur de la résistance pour obtenir un gain de 1000 :

RG = 49.4k / ( G – 1 ) = 49,45 Ω

4 L’amplificateur opérationnel L’amplificateur opérationnel est un composant intégré qui réalise la fonction d’amplification différentielle de la différence de tension présente entre ses deux entrées + et - :

e AVdiff

A.VdiffVout A .e

Vout

La tension de sortie est limitée à la plage d’alimentation

de l’AOP.

A

i=0

i=0

A

+Valim

-Valim

Vout



Quelques exemples d’utilisation :

Pour un AOP A = 10 5 ( les valeurs des amplifications sont très grandes ) la tension de sortie vaut 5 V

calculer la tension d’entrée :

Vin = Vout / A = 5 / 10 5

= 50 µV !

L’amplificateur opérationnel est abondamment utilisé en électronique son amplification interne étant très élevée il est utilisé en régime linéaire ou en comparateur :

Régime linéaire e = 0 obtenu par réaction négative

Comparateur de tension pas de réaction ou réaction positive

A

+Valim

-Valim

Vout

A

+Valim

-Valim

Vout

A

+Valim

-Valim

Vout

Vs = Ve

Montage suiveur

+

-

Ve1Vs

Ve2 +

-

VeVs

Fonctionnement en comparateur Fonctionnement en régime linéaire ( amplificateur, filtre ... )

Vs = +Valim si Ve1 > Ve2

Vs = -Valim si Ve2 > Ve1

Nota : -Valim peut être remplacé par GND pour certains AOP



Quelques schémas courants parmi beaucoup1 :

Amplificateur non inverseur ( Rappel –Valim <= Vs < =+Valim ou 0 <= Vs <= +Valim )

Amplificateur inverseur

Montage soustracteur

Montage sommateur inverseur :

1 Voir entre autres le site http://www.electronique-radioamateur.fr/elec/schema/montage-aop.php

+

-

R1

R2

Ve

Vs

+

-

R1

R2

VsVe

+

-

R1

R4

Vs

R2

R3

V1

V2

V3

A = 1 + R2 / R1

A = - R2 / R1

VS = ( V2 – V1 ) . R2 / R1

+

-

R1

R1

R2

R2

V1

V2Vs

VS= - ( V1.R4/R1 + V2.R4/R2 + V3.R4/R3)

Si R1=R2=R3=R4 VS = ?



Tracé de la sortie du montage ci-dessous :

+

-

R1

R2

VsVe

R1 = 1K, R2 = 2K

AOP alimenté en + 5V et -5V

R1 = 1K, R2 = 3K

AOP alimenté en + 5V et -5V



5 Défaut Mise en évidence des défauts et des limitations d’un AOP avec un logiciel de simulation,

Ouvrir le fichier AOP_1.dsn sous Proteus et lancer la simulation en mode interactif :

Donner la fonction réalisée par l’association

Des deux AOP :

VOUT / VIN = 1 => VOUT = VIN

Faire fonctionner la simulation pour plusieurs fréquence du signal d’entrée, relever l’amplitude du signal de sortie, calculer le facteur d’amplification A et le gain G en dB.

Remplir le tableau ci-dessous :

Fréquence Vin Vout A = Vout / Vin G = 20 . log(A)

1 KHz

10 KHz

200 KHz

1 MHz

Déduire le défaut de l’AOP constaté dans cet essai.

Pour lancer la simulation du Schéma en mode interactif

Pour lancer la simulation du Schéma en mode interactif avec enregistrement des résultats ‘espace’ le pointeur étant sur la fenêtre

AOP_1.DSN



Mise en évidence du déphasage

Faites la simulation du schéma AOP_2.DSN quel phénomène observez vous supplémentaire à la variation de l’amplitude du signal de sortie :

Les signaux sont déphasés, le signal de sortie est en retard par rapport au signal d’entrée.

La méthode pour calculer ce déphasage est donnée sur le graphique, faites de-même et remplir le tableau ci dessous :

Fréquence T Période Δt écart Retard ou

avance Φ en °

50 KHz

150 KHz

300 KHz

450 KHz

Quel est le défaut constaté ?

Δt

période T

Le déphasage :

φ = 360° . Δt / T en °

négatif si retard

positif si avance

Ne pas oublier la gestion des 2 curseurs avec l’outil graphe de Proteus.

AOP_2.DSN



Mise en évidence du slew rate

Le slew rate est le temps de balayage de l’AOP, sont temps de réaction. Il est donné en µV/µS par exemple un slew rate de 1 V / µS donnera pour un signal de 10V un temps de réaction de 10 . 1 = 10 V/µS.

Pour examiner l’influence du slew rate nous utilisons le schéma AOP_3.DSN, simuler ce schéma :

Que constatez-vous ?

Essayer avec différentes formes du signal Vin pour une même fréquence, quel est la forme du signal la plus pénalisée ?

A votre avis pourquoi ?

AOP_3.DSN



Rappel les réglages du logiciel Isis

Le générateur de fonction virtuel

L’oscilloscope virtuel



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