TP MPI  N° 10

Le C.I.L.

 

Correction 

I -Rôle de l'amplificateur de tension.

II - Le C.I.L

III - Caractéristique de transfert d'un C.I.L.

IV - Le montage suiveur.

V - Amplification.

VI- Application : Dans quelles conditions un C.I.L

fonctionne-t-il en amplificateur non inverseur ?

VII - Le montage comparateur.

VIII - Pour aller plus loin.

 

  Matériel :

═► une alimentation ajustable continue (0 – 12 V), 

═►une alimentation 15 V, multimètres,

═►conducteurs ohmiques :

═►R220, R390, P500, R1k, R47K et R10K

═►Plaque, fils, P =  500 Ω , interrupteur,

═►Oscilloscope, Aop, G.B.F.

 

 

I- Rôle de l’amplificateur de tension.

1)- Définition :

-  Un amplificateur de tension permet d’obtenir en sortie une tension US proportionnelle à la tension d’entrée Ue.

-  La tension de sortie US a même forme que la tension d’entrée Ue

-  Si la tension d’entrée est continue, alors la tension de sortie est continue. 

-  Si la tension d’entrée est alternative, la tension de sortie est alternative.

2)- Schéma général

-  Un amplificateur est un quadripôle.

-  Il va fournir une tension amplifiée.

-  Pour ce faire, il a besoin d’une alimentation.

-  On appelle coefficient d’amplification

-  (facteur d’amplification ou gain) :

- 

-  Ce nombre n’a pas d’unité.

-  Il peut être positif ou négatif.

 

II- Le C.I.L.

1)- Description.

-  Le C.I.L, ou amplificateur opérationnel, est un amplificateur à circuit intégré linéaire.

-  Dans le commerce, on le trouve dans des boîtiers D.I.L 8 qui possède 8 bornes numérotées de 1 à 8. 

-  Ce type de boîtier ne contient qu’un seul C.I.L. 

-  On le trouve aussi dans des boîtiers D.I.L 14 qui possèdent 14 bornes numérotées de 1 à 14. 

-  Ce type de boîtiers contient 4 C.I.L.

-  Exemple :

-  Les bornes d’entrée :

-  Borne (2) : entrée inverseuse notée : E – 

-  Borne (3) : entrée non inverseuse notée : E +.

-  La borne de sortie : Borne (6) : notée S.

-  Les bornes pour l’alimentation :

-  Borne (4) notée – Vcc reliée à la borne de l’alimentation

(en général 15 V).

-  Borne (7) notée + Vcc reliée à la borne + de l’alimentation

(en général + 15 V).

-  Les bornes (1) et (5) permettent d’améliorer

la performance du C.I.L dans des montages complexes.

Elles ne nous concernent pas.

-  La borne (8) n’est pas connectée.

 

2)- Alimentation du C.I.L.

-  L’alimentation du C.I.L nécessite l’utilisation d’un générateur de tension délivrant par rapport à un point dénommé masse, deux tensions de + 15 V et – 15 V.

-  Avant toute manipulation, il faut polariser le C.I.L.

-  La masse du générateur est reliée à la ligne de masse du montage et sert de référence de potentiels dans les montages réalisés.

3)- Représentation symbolique.

Approche de la

représentation symbolique

Symbole du C.I.L :

 

Représentation simplifiée

On ne fait pas apparaître

l’alimentation de

l’amplificateur opérationnel

4)- Notations :

a)-   Les tensions : 

elles sont repérées par rapport à la masse M. 

Lorsque l’on travaille en courant continu, on utilise des lettres majuscules pour représenter les grandeurs physiques. 

Pour les courants variables, on utilise des lettres minuscules.

Reproduire le schéma ci-contre et

représenter les tensions suivantes

par des flèches :

Reproduire le schéma ci-contre et

représenter les tensions suivantes

par des flèches :

 

b)-   Les intensités : 

-  I –  est l’intensité qui circule dans l’entrée inverseuse,

-  Iest l’intensité du courant qui circule dans l’entrée non inverseuse et

-  IS est l’intensité du courant qui circule dans la sortie.

-  La loi des nœuds ne s’applique pas au C.I.L dans sa représentation simplifiée.

 

III- Caractéristique de transfert d’un C.I.L.

1)- Montage :

Faire le

schéma

et réaliser

le montage

ci-contre.

2)- Réglages :

-  Réglages du G.B.F : Choisir courant sinusoïdal, fréquence 1000 Hz et amplitude aux ¾  de la graduation.

-  Réglages de l’oscilloscope : affichage bicourbe, régler la durée de balayage et les sensibilités verticales de façon judicieuse. 

-  Décaler la voie A ou 1 vers le haut (2 carreaux) et la voie B ou 2 vers le bas (2 carreaux).

3)- Exploitation :

-  Faire une représentation de l’écran de l’oscilloscope.

-  Quelle grandeur visualise-t-on à la voie A de l’oscilloscope ? 

-  Quelle grandeur visualise-t-on à la voie B de l’oscilloscope ?

-  Quelle est la valeur de u E - ? 

-  Donner la relation liant e et u E +, puis la relation liant e et u e , tension délivrée par le G.B.F.

-  Utilisation du mode XY :

-  Passer en mode XY. Que représente la courbe observée à l’écran ? 

-  Faire une représentation de cette courbe en respectant les proportions. 

-  Déduire des observations les régimes de fonctionnement d’un C.I.L.

 

IV- Le montage suiveur.

1)- Montage potentiométrique : montage 1

-  Faire le schéma et réaliser le montage ci-contre.

-  Matériel : le potentiomètre P = 500 Ω.

-  Utiliser l’alimentation ajustable et

-  régler la valeur de la tension :

-   UEM sur 5,00 V.

K étant ouvert,

-  régler la position du curseur C pour que la tension

U = 2,5 V.

-  Pour R = 10 kΩ, fermer K et noter la valeur de U= U1.

-  Pour R = 220 Ω, fermer K et noter la valeur de U = U2.

Interpréter.

 

2)- Montage potentiométrique avec C.I.L en suiveur.

-  Faire le schéma et réaliser le montage ci-contre.

-  Matériel : le potentiomètre P = 500 Ω .

-  Utiliser l’alimentation ajustable et

-  régler la valeur de la tension 

UEM sur 5,00 V.

régler la position du curseur C pour que la tension

U = 2,5 V.

-  Pour R = 4,7 kΩ, noter la valeur de US = U1.

-  Pour R = 220 Ω, noter la valeur de US = U2.

Conclusion.

 

V- Amplification.

 

1)- Montage amplificateur inverseur en courant continu.

a)-   Dispositif expérimental :

-  Reproduire le schéma

-  du montage suivant :

-  Réaliser le montage suivant :

R1 = 10 kΩ, R2 = 47 kΩ.

-  Que mesure le voltmètre V1 ?

-  Que mesure le voltmètre V2 ? 

b)-   Mesures.

-  ATTENTION : l’alimentation de l’amplificateur opérationnel doit être mise en fonctionnement avant celle du circuit étudié. 

-  Elle doit être ensuite éteinte la dernière à la fin de la manipulation.

-  Mesurer les valeurs de : R1et R2 à l’ohmmètre et noter les valeurs.

-  On utilise l’alimentation ajustable et l’on place le commutateur sur la position – 12 V à + 12 V. 

-  On fait varier la valeur de la tension d’entrée Ue et on mesure chaque fois les valeurs respectives de Ue et US.

-  Reproduire et compléter le tableau suivant :

Ue 

en V

- 5,0

- 4,0

- 3,0

- 2,5

- 2,0

- 1,5

- 1,0

- 0,50

0,50

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

4,0

5,0

US 

en V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c)-   Exploitation.

-  Tracer US = f (Ue), échelle 1 cm 1 V

-  Montrer que US = k .Ue dans un domaine que l’on précisera. 

-  Calculer le coefficient directeur k de la droite moyenne obtenue. 

-  Comparer la valeur de k au rapport

-  Donner la valeur A du coefficient d’amplification.

-  Quelles sont les valeurs des tensions de saturation. 

-  Quels sont les états de fonctionnement du C.I.L ?

2)- Montage amplificateur inverseur en courant alternatif.

a)-   Montage :

-  Reproduire le schéma du montage suivant :

-  Réaliser le montage suivant : R 1 = 10 kΩ, R 2 = 47 kΩ.

-  Réglages : régler le G.B.F sur la fréquence f = 1000 Hz.

-  Placer le sélecteur d’amplitude sur 1 et

-   amener le bouton de réglage de l’amplitude

-  à moitié de la graduation.

-  Réglage de l’oscilloscope :

-  ajuster les valeurs des sensibilités verticales et

-  horizontales des voies A et B afin d’observer

-  correctement les courbes à l’écran.

b)-    Exploitation.

-  Quelle grandeur visualise-t-on à la voie A de l’oscilloscope ? à la voie B ?

-  Que peut-on dire des grandeurs observées ?

-  On augmente l’amplitude du signal d’entrée (aux ¾  de la graduation). 

-  Que remarque-t-on ? Commenter.

-  Passer en mode XY et donner les caractéristiques de la courbe obtenue. 

-  Comparer les résultats obtenus à ceux du 1)- c)-.


VI- Application : Dans quelles conditions un C.I.L fonctionne-t-il en amplificateur non inverseur ?

 

But : réaliser un montage non inverseur et déterminer le gain d’amplification.

Présenter les résultats obtenus en utilisant un traitement de texte et un tableur.

 

1)- Expérience : Choisir le matériel nécessaire à la manipulation.

-  Réaliser le montage suivant. Alimenter le C.I.L en + 15 V et – 15 V.

-  Appliquer entre l’entrée E + et la masse, une tension Ue continue réglable de – 12 V à + 12 V.

-  Pour diverses valeurs de Ue, mesurer la valeur de la tension de sortie US et saisir les valeurs de Ue et US dans le tableur Excel.

-  Faire tracer par le logiciel le graphe US en fonction de Ue.

-  Reproduire le schéma

-  du montage suivant :

-  Réaliser le montage suivant :

R1 = 10 kΩ, R2 = 47 kΩ.

-  Que mesure le voltmètre V1 ?

-  Que mesure le voltmètre V2 ?

 

2)- Questions :

a)- Comment évolue la tension de sortie US quand la tension d’entrée Ue varie de – 5 V à + 5 V ? 

-  Quel est son signe par rapport à celui de U e ?

-  Justifier le qualificatif ‘’non inverseur’’ dans ce montage.

b)- Le graphe US en fonction de Ue permet de distinguer deux régimes de fonctionnement du C.I.L : le régime linéaire et le régime saturé. 

-  Repérer ces domaines sur le graphe. 

-  Quelle condition doit satisfaire la tension de sortie US par rapport à la tension de saturation VSat pour que le C.I.L fonctionne en régime linéaire ?

c)- Écrire la relation entre US et Ue en régime linéaire en faisant apparaître le coefficient d’amplification ou gain noté A

-  Déterminer la valeur du gain A et comparer cette valeur aux rapports :

-  Justifier le qualificatif amplificateur attribué à ce montage. 

-  Quelle est l’influence du conducteur ohmique R2 sur le gain ?

d)- Pourquoi la tension de sortie ne peut-elle pas dépasser une limite correspondant au régime dit saturé ?

e)- On remplace le conducteur ohmique de résistance R2  par un potentiomètre de résistance R2 = 47 kΩ. 

-  On déplace le curseur du potentiomètre. 

-  Que peut-on dire de la valeur du coefficient d’amplification A du montage non inverseur ?  

-  Quel avantage peut-on tirer de l’utilisation d’un potentiomètre à la place d’un conducteur ohmique de résistance fixe ? 

-  Indiquer le domaine de variation du coefficient d’amplification A.

f)-    Préciser sur le schéma du montage les branchements à effectuer pour visualiser les variations de la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée à l’oscilloscope. 

-  Quel type de générateur faut-il utiliser ? 

-  Quel mode faut-il utiliser ? 

-  Donner l’allure de l’oscillogramme obtenu.

g)-   Réaliser le montage, le faire vérifier.

-  Régler le G.B.F ; choisir :   tension sinusoïdale, fréquence f = 800 Hz, amplitude 1 et bouton ½  de la graduation.

-  Comparer la tension d’entrée ue et la tension de sortie uS (fréquence, amplitude).

-  Augmenter l’amplitude du signal délivré par le G.B.F. 

-  Quelles sont les conséquences du régime saturé sur la forme de la tension de sortie du C.I.L. 

-  Faire une représentation de l’oscillogramme en indiquant pour la tension de sortie la partie

-  qui correspond au régime linéaire et la partie qui correspond au régime saturé. 

-  Pourquoi faut-il éviter que le C.I.L  travaille en régime saturé ?

h)- Recommencer en choisissant le signal triangulaire.

i)-  Comment faut-il procéder pour obtenir un gain d’amplification : A = - 10 ; A = 10 ? 

-  Indiquer le type de montage utilisé et les valeurs normalisées des résistances des conducteurs ohmiques utilisés.


VII- Le montage comparateur.

1)- Expérience :

-  Le montage :

 

  Procurez-vous le matériel nécessaire à la réalisation du montage.

-  Réaliser le montage :

-  Alimenter le C.I.L en + 15 V et – 15 V.

-  Appliquer entre l’entrée E + et la masse, une tension U e continue réglable de – 12 V à + 12 V.

-  Appliquer la tension UAB = E = 15 V aux bornes du potentiomètre P = 500 Ω.

2)- Réglages : Régler la tension d’entrée U e = U E+M  = 5,00 V.

3)- Observations :

-  Déplacer le curseur C et noter les observations que l’on peut faire ?

4)- Conclusions :

-  Quel est le rôle du potentiomètre P ? Entre quelles valeurs varie la tension UE-M ?

-  Que se passe-t-il si UE-M  >  UE+M ?  

-  Quel est alors l’état de la diode électroluminescente? 

-  Quelle est alors la valeur de la tension de sortie U S ?

-  Que se passe-t-il si UE-M  <  UE+M

-  Quel est alors l’état de la diode électroluminescente? 

-  Quelle est alors la valeur de la tension de sortie US ?

-  Quel est le rôle d’un tel montage ? 

-  Comment fonctionne le C.I.L ? 

-  Fonctionne-t-il en régime linéaire ou en régime saturé ?

-  Faire la synthèse de la manipulation.

 

VIII- Pour aller plus loin.

On veut restituer et amplifier le son capté par un microphone.

On précise qu’un microphone transforme un son en une tension alternative dont la forme est plus ou moins complexe. 

Si le son est pur, la tension est alternative sinusoïdale : c’est le cas du son émis par un diapason.

 

-  Proposer un montage permettant d’amplifier la tension délivrée par le microphone.

-  Pourquoi peut-on dire que le microphone est un capteur ?

-  Pourquoi le haut-parleur ne restitue-t-il pas un son quand il est directement relié au microphone ?

-  Que se passe-t-il si le gain d’amplification est trop important ? 

-  Quel est le risque si l’on amplifie trop la tension émise par le micro ? 

-  Comment fonctionne alors le C.I.L ? Y a-t-il une limite à l’amplification d’un son ?