L'amplificateur suiveur (AOP)

A travers cette fiche d'activité de TD, vous allez réaliser sous la solution de simulation Ltspice un amplificateur suiveur à base d'un AOP (amplificateur opérationnel). Pour cela, nous avons choisi la référence LM741 comme composant pour cette réalisation, le simuler et ensuite analyser son comportement afin de retrouver la valeur caractéristique de ce circuit ; son gain d'amplification A.

Un petit rappel ? Un amplificateur opérationnel, appelé aussi AOP ou A-OP, est un composant électronique à base de semi-conducteur. Ce composant actif nous permet de réaliser plusieurs fonctions de traitement de signal électrique telles que l'amplification, réaliser des opérations mathématiques, le filtrage, etc.

Réalisation d'un amplificateur suiveur à base d'un LM741

En se référant à notre cours, nous allons réaliser un amplificateur suiveur à base d'un amplificateur opérationnel (AOP) sous la solution de simulation électronique Ltspice. Pour cela, le schéma ci-dessous nous détaille le montage à réaliser sous notre application de simulation :

Pour pouvoir mesurer le signal à la sortie de notre amplificateur, nous allons mettre une charge de valeur 100Ω sous Ltspice, comme nous le démontre le schéma ci-dessous modélisée par la résistance R₁

Placez ensuite pour notre amplificateur opérationnel la référence LM741. Pour cela, appuyez sur la touche P, la fenêtre Component (composant en français) s'affiche, cherchez la référence LM741 à partir de la barre recherche. La capture ci-dessous vous montre cela :

Comme tout composant actif, une source d'alimentation est requise pour le faire fonctionner. Pour cela, allons utiliser deux sources d'alimentation symétrique de valeur +18V et -18V que nous allons cela sous Ltspice : deux sources d'alimentation V₁ et V₂ que nous allons configurer respectivement à +18V et -18V, comme nous le démontre les deux images ci-dessous :

Configuration de VS+ pour l'AOP	Configuration de VS- pour l'AOP

Maintenant, pour créer un signal variable que nous allons l'injecter à l'entrée V_in à notre amplificateur opérationnel (soit l'entrée VS+ de notre AOP), nous allons modéliser une source supplémentaire V₃ soit un générateur d'un signal alternatif ayant une amplitude de 1V et une fréquence de 2 Hz sans ajouter aucun délai supplémentaire (le paramètre Tdelay sous Ltpsice) . La capture ci-dessous nous détaille les différentes valeurs à saisir pour configurer ce générateur :

Et finalement, une fois le tout est correctement configuré, vous pouvez demander à l'application de lancer le calcul en choisissant le mode Transient dans la fenêtre Configure Analysis sous Ltspice et en configurant le stop time à 3 secondes ; soit donc la durée totale du calcul est de 3 secondes comme nous le démontre la capture ci-dessous :

Dès que le calcul est terminé, vous pouvez ajouter les deux courbes V_in et V_out dans deux graphes différents (soit deux plots différents sous Ltpsice). Que pouvons-nous constater ?

A partir de ces deux graphes, lisez les différentes valeurs ci-dessous à partir des deux courbes V_in et V_out  (à partir de la valeur la plus proche à la valeur indiquée ci-dessous dans le tableau) :

Déterminez maintenant le facteur A d'amplification de votre circuit LM741. Que pouvons-nous conclure ?

Simulation, analyse et interprétation : Amplificateur opérationnel suiveur

En se basant sur le schéma proposé dans l'énoncé de cette fiche, et en respectant les consignes pour modéliser les sources d'alimentations VS+ et VS- ainsi que la source V_in pour modéliser un signal variable, soit dans notre cas un courant alternatif ayant une fréquence de 2 Hz et une amplitude de 1V. Notre projet sous Ltspice sera ainsi comme suit :

Comme vous pouvez le constater, nous avons aussi configuré sous la solution Ltpsice les deux composants tels que :

• R₁ = 100Ω,
• et le circuit intégré du AOP à la référence LM741.

Une fois que tout est configuré sous Ltspice, nous pouvons initier les calcul de notre simulation à partir du raccourci clavier en appuyant simultanément les deux touches Alt et R ou via le menu principal Simulate, ensuite Run. Une fois que la solution termine son calcul, vous pouvez ajouter une par une les deux variables V_in et V_out dans dans deux graphes différentes comme vous le détaille l'image ci-dessous :

Analysons maintenant ces 2 courbes en détail. Nous constatons donc :

• Le signal V_out présente une amplitude iso à l'amplitude du signal à l'entrée V_in. Donc, nous pouvons dire que notre système transfère le signal fourni à l'identique à son entrée V_in.
• Le signal V_out à la sortie suit la même phase que le signal V_in. Donc, nous pouvons conclure que les deux signaux sont toujours en phase.
• Les deux signaux présentent la même fréquence donc \( V_{out} = V_{in} = 2 Hz \)

Nous pouvons donc conclure que ce système n'amplifie pas le signal reçu à son entrée V(+) de notre amplificateur sans inversion de phase.

Maintenant, en utilisant le curseur et en sélectionnant une par une les deux courbes V_in et V_in, nous pouvons lire les différentes valeurs demandées une par une. Par exemple, pour la valeur Vin = 1.000417V ≅ 1.0V, nous lisons Vout = 999.38029mV ≅  1.0V. L'image ci-dessous nous démontre comment utiliser deux courbes pour lire deux courbes simultanément sous Ltpsice :

Pour ajouter une première trace, appelée aussi courbe, il est très simple sous Ltspice. Vous devez tout simplement cliquer sur le fil demandé dans votre montage et la courbe sera automatiquement affichée dans la fenêtre des graphes. Dans notre cas, nous aurons à ajouter dans cette fenêtre la courbe de la tension V(vin). Puis, si vous souhaitez lire les valeurs de cette courbe, il vous suffit de cliquer sur le nom de la trace qui s'affiche juste au-dessus de cette courbe.

Maintenant, pour ajouter la deuxième trace ou courbe, il est recommandé dans cette activité de l'ajouter dans un plot séparé. Pour cela, cliquez par le bouton droit sur la fenêtre des traces et choisissez Add Traces. Si vous souhaitez utiliser les raccourcis, utilisez sur la touche A directement depuis votre clavier.

Comment lire deux courbes simultanément sous Ltspice ? Pour lire deux courbes simultanément sous Ltspice, dans la même fenêtre de lecture, après avoir ajouté la première trace, ajoutez la deuxième trace puis cliquez deux fois sur le nom de la courbe souhaitée pour la sélectionner. Pour déplacer le premier curseur de la première courbe ou le deuxième de la deuxième courbe vers la position souhaitée, sélectionnez l'une des deux traces et ensuite utiliser les deux flèches gauche (←) et droite (→) pour faire déplacer le curseur à la position ou la valeur de la courbe demandée.

Ainsi, valeur par valeur, nous pouvons remplir le tableau ci-dessous comme suit :

En conclusion, comme nous pouvons dire que ce système n'amplifie pas le signal reçu à son entrée mais le transmet à l'identique à sa sortie. Ce qui permet de réaliser un système qui sépare le circuit à l'entrée du circuit à sa sortie. Ce système d'amplificateur opérationnel, appelé amplificateur suiveur, présente donc un gain d'amplification A = 1.

Plus d’activités avec les amplificateurs opérationnels ?

Pour mieux vous faire familiariser avec ce composant actif, nous vous proposons de découvrir d'autres activités que nous proposons portant sur les amplificateurs opérationnels (AOP) :

• L'amplificateur non-inverseur (Amplificateur opérationnel ; AOP)
• L'amplificateur inverseur (Amplificateur opérationnel ; AOP)