Construction d'un amplificateur différentiel à gain élevé fonctionnant comme un amplificateur opérationnel

Pièces et Matériaux

• Deux piles 6 V
• Quatre transistors NPN — modèles 2N2222 ou 2N3403 (Radio Shack #276-1617 fournit un pack pratique de quinze dispositifs NPN)
• Deux transistors PNP — modèles 2N2907 ou 2N3906 (Radio Shack #276-1604 offre un pack de quinze PNP)
• Deux potentiomètres 10 kΩ, un tour, taper linéaire (Radio Shack #271-1715)
• Une résistance 270 kΩ
• Trois résistances 100 kΩ
• Une résistance 10 kΩ

Références Croisées

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapitres 4 « Transistors à jonction bipolaire » et 8 « Amplificateurs opérationnels ».

Objectifs d'Apprentissage

• Concevoir un amplificateur différentiel qui utilise des miroirs de courant.
• Explorer comment la rétroaction négative façonne le comportement d'un amplificateur différentiel à gain élevé.

Schéma Électrique

Illustration

Instructions

Ce design affine l'amplificateur différentiel précédent en remplaçant les résistances de chute de tension par des réseaux de miroirs de courant, produisant un gain en tension plus élevé et une performance plus prévisible.

Avec son gain accru, le circuit peut fonctionner comme un amplificateur opérationnel (ampli-op) fonctionnel. Les ampli-ops sont la pierre angulaire de l'électronique analogique moderne, donc comprendre leur structure interne est inestimable.

La paire PNP Q1 et Q2 forme un miroir de courant qui maintient les courants à travers la paire différentielle Q3 et Q4 équilibrés. La paire NPN Q5 et Q6 fournit un second miroir de courant qui fixe le courant total de la paire différentielle via la résistance programmable R_prg.

Mesurez la tension de sortie (collecteur de Q4 par rapport à la masse) tout en variant les deux tensions d'entrée. Notez qu'un potentiomètre agit comme une entrée non-inverseuse, tandis que l'autre sert d'entrée inverseuse.

La sortie répond le plus fortement lorsque les deux entrées sont presque égales — c'est le mode différentiel. Une fois ce comportement confirmé, le circuit peut être utilisé comme un vrai ampli-op. Une première expérience courante est la configuration suiveur de tension (buffer).

Pour un suiveur de tension, connectez la sortie de l'amplificateur directement à son entrée inverseuse — c'est-à-dire, reliez le collecteur et la base de Q4 ensemble et ignorez le potentiomètre inverseur.

Le symbole de l'ampli-op montre les entrées non-inverseuse (+) et inverseuse (−) et l'apex de sortie. La trace rouge représente la boucle de rétroaction. Dans un suiveur de tension, la sortie devrait suivre l'entrée à quelques centièmes de volt près.

Un arrangement plus sophistiqué est l'amplificateur non-inverseur, où deux résistances égales dans la boucle de rétroaction fixent un gain de exactement deux.

Pendant les tests, vous pourriez voir de petites différences entre la sortie mesurée et la sortie attendue — généralement quelques centièmes de volt. Celles-ci proviennent d'imperfections dans la paire différentielle et peuvent être réduites en ajoutant des étages d'amplification supplémentaires ou en ajustant finement R_prg.

Essayez différentes valeurs de R_prg allant de 10 kΩ à 1 MΩ. Évitez les résistances inférieures à 10 kΩ pour prévenir l'emballement thermique dans les transistors des miroirs de courant.

Certains ampli-ops commerciaux exposent un point de miroir de courant programmable, permettant aux utilisateurs d'ajuster le biais interne exactement comme R_prg. La plupart des ampli-ops d'usine, cependant, ont ce biais fixé par une résistance précisément ajustée.