Amplificateurs

07/04/2002

 André BONNET 

 1- Définition 
    Un amplificateur est un quadripôle destiné à accroître l'amplitude une grandeur électrique sans en modifier la forme d'onde.

    L'amplificateur est un quadripôle vis à vis de l'entrée et de la sortie de signal. On fait abstraction des alimentations pour le caractériser par rapport au traitement du signal. Cependant les alimentations sont indispensables, en particulier en cas d'amplification de puissance.

    L'amplificateur idéal produirait Vs = k . Ve avec une impédance d'entrée infinie et une impédance de sortie nulle. En réalité k n'est pas réel et comporte des non linéarités, l' impédance d'entrée est de valeur finie et l'impédance de sortie est non nulle.

 2- Caractérisation des amplificateurs 

 2.1-Linéarité 

Le niveau des alimentations fixe des extremum qui ne peuvent pas être dépassés.
Le domaine linéaire est caractérisé par sa pente. Un défaut de linéarité peut être exprimé par la variation de cette pente en fonction de l'amplitude des signaux, de la température ou d'un autre paramètre. Éventuellement la fonction ne passe pas par zéro, c'est le décalage d'offset.

 2.2-Réponse en fréquence 
    Les diagrammes de Bode liés à la fonction de transfert T = Vs / Ve caractérisent la réponse en fréquence et permettent de définir notamment la bande passante de l'amplificateur.

w_h - w_b = bande passante à -3dB.

 2.3-Impédance d'entrée et de sortie 
On définit comme pour les quadripôles les impédances d'entrée et de sortie.

 3- Amplificateur linéaire intégré 

 3.1-Symboles 

Dans les sujets de concours différentes symbolisations sont utilisées.

Les tensions d'alimentation ne sont pas toujours représentées. Dans ce cas il est recommandé de rechercher quelles sont leurs amplitudes. Éventuellement elles ne sont pas symétriques.

 3.2-Amplificateur linéaire intégré parfait 
Cette appellation est associée à l'ensemble des hypothèses suivantes :
- Linéarité :

- Réponse en fréquence, dans le domaine linéaire Vs / est réel et constant.
- Impédance d'entrée infinie.
- Impédance de sortie nulle.

 3.3-Amplificateur linéaire intégré réel 

•  Linéarité 
  Ordre de grandeur des variables :
  Dans le domaine linéaire, Vs/ = A₀ ~ 10⁵, ₂ - ₁ ~ 0,3 mV, ₀ ~ de 10µV à 30mV
  Il existe des amplificateurs intégrés linéaires qui possèdent des broches supplémentaires permettant de corriger par un potentiomètre la valeur du décalage d'offset à l'entrée. Mais ce réglage est valable pour une température de fonctionnement seulement et le réglage dérive dans le temps. Compensation d'offset :
  
  Alimentation, 3V < Vcc < 18V
  Vsat+ ~ -Vsat- ~ Vcc-2V

•  Plage des tensions d'entrée en mode commun 
  Les broches d'entrée + et - doivent être à un potentiel compris entre (-Vcc+2Volts) et (+Vcc-2Volts). Le fonctionnement des étages d'entrée est dégradé si cette condition n'est pas respectée.
  Les amplificateurs intégrés linéaires " single supply " travaillent avec une seule alimentation. Ils ont une plage de fonctionnement en entrée étendue de 0V à (+Vcc-2Volts). Pour ces composants la tension Vsat- = 0V.
  Les amplificateurs intégrés linéaires " rail to rail " ont une plage de fonctionnement en entrée étendue de 0V à +Vcc. Pour ces composants la tension Vsat- = 0V et Vsat+ = Vcc.

•  Réponse en fréquence 
    A = Vs/ = A₀ / (1+jw/w₀)
  
  
  
  Ordre de grandeur des variables :
  20logA₀ ~ 100dB
  f₀ ~ 10 à 100Hz
  f _c0 ~ 1MHz à10MHz
  Notons qu'à f _c0 , = Vs. Par conséquent l'hypothèse ~ 0 est absurde, il faut recalculer les fonctions de transfert des structures en tenant compte de . L'hypothèse ~ 0 est acceptable pour les très basses fréquences seulement.

•  Vitesse de balayage de la sortie ou slew rate 
      En plus du diagramme de Bode 20log[Vs/] = g(f) le constructeur spécifie la valeur maximale du slew rate (dVs/dt)maxi du composant (de 0,1V/µs à 20V/µs). Cette donnée tient compte de l'amplitude du signal de sortie.

•  Impédance d'entrée 
      Les amplificateurs linéaires intégrés les plus répandus ont un étage d'entrée à transistor à effet de champ ce qui permet de très fortes impédances d'entrées.
  Ordre de grandeur de Re ~ 10¹²

•  Courant d'entrée 
      Vis à vis des petits signaux l'impédance d'entrée est très forte mais l'étage d'entrée injecte sur les broches d'entrée des courants continus. Ces courants sont de même sens et de même ordre de grandeur sur les broches d'entrées + et -.
  Ordre de grandeur des courants de polarisation en entrée Ie+ ~ Ie- ~ 1pA à 10µA. Ces courants sont très sensibles à la température.

•  Impédance de sortie 
  Ordre de grandeur de Rs ~ 100

•  Courant maximal de sortie 
      Les amplificateurs intégrés linéaires sont protégés contre le court-circuit. En général le courant de sortie ne peut pas dépasser 10 à 30mA