Laboratoire d'intégrateur de précision à AO : compensation du courant de polarisation et calcul analogique

COMPOSANTS ET MATÉRIEL

• Quatre piles 6 volts
• Amplificateur opérationnel (modèle 1458, Radio Shack catalogue #276‑038)
• Potentiomètre à taper linéaire de 10 kΩ (Radio Shack #271‑1715)
• Deux condensateurs non polarisés de 0,1 µF (Radio Shack #272‑135)
• Deux résistances de 100 kΩ
• Trois résistances de 1 MΩ

Tout AO moderne fera fonctionner cet intégrateur, mais le LM1458 est choisi ici car son courant de polarisation d'entrée élevé amplifie les effets que vous apprendrez à contrer. Bien que les courants de polarisation élevés soient généralement indésirables dans les circuits de précision, ils servent un but pédagogique dans cette démonstration.

RÉFÉRENCES CROISÉES

Lessons in Electric Circuits, Volume 3, Chapitre 8 : « Amplificateurs opérationnels ».

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Démontrer une technique pour limiter l'étendue effective d'un potentiomètre.
• Expliquer le rôle fonctionnel d'un intégrateur dans le traitement du signal.
• Illustrer comment compenser les courants de polarisation de l'AO.

SCHÉMA ÉLECTRIQUE

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Le schéma montre le potentiomètre relié aux rails d'alimentation via deux résistances de 100 kΩ. Cette configuration limite la plage de sortie du potentiomètre, assurant qu'un tour complet de la molette ne produit qu'une oscillation modeste de ±0,5 V par rapport à la référence de milieu de rail.

Lorsque le curseur est à l'extrême gauche, la tension de sortie est d'environ +0,5 V ; à l'extrême droite, elle est d'environ –0,5 V. Un curseur centré donne une référence de tension nulle.

Connectez un voltmètre entre la sortie de l'AO et la masse du circuit. Balayez lentement le potentiomètre tout en observant la tension de sortie. La sortie doit changer à un taux déterminé par l'écart du curseur par rapport au centre — intégrant effectivement le signal d'entrée au fil du temps.

Avec un second voltmètre, vous pouvez afficher simultanément la tension du curseur (entrée) et la tension de sortie, rendant visible la relation entrée-taux.

Régler le potentiomètre pour produire zéro volt doit minimiser le taux de variation de la sortie. S'éloigner du point zéro augmente la pente de la rampe.

Essayez d'ajouter le second condensateur de 0,1 µF en parallèle avec le premier. Doubler la capacitance dans la boucle de rétroaction ralentit le taux d'intégration, allongeant la rampe pour une position donnée du curseur.

Ajouter une quatrième résistance de 1 MΩ en parallèle avec la résistance d'entrée divise par deux la résistance d'entrée effective, accélérant l'intégration. Ces variations aident à illustrer comment les valeurs des composants influencent la constante de temps de l'intégrateur.

Les intégrateurs sont des éléments fondamentaux des ordinateurs analogiques. Combinés avec des amplificateurs, des nœuds de sommation et des diviseurs variables, ils peuvent modéliser presque toute équation différentielle linéaire, permettant aux ingénieurs de résoudre des équations en observant des niveaux de tension.

Historiquement, les ordinateurs analogiques simulaient des phénomènes complexes tels que la dynamique des véhicules, les trajectoires de fusées et les réponses de systèmes de contrôle avant l'avènement des systèmes numériques. Bien que largement supplantés, les circuits constitutifs restent des outils pédagogiques précieux pour visualiser les concepts du calcul infinitésimal.

Ensuite, déplacez le potentiomètre jusqu'à ce que la tension de sortie soit aussi proche que possible de zéro, puis déconnectez l'entrée et court-circuitez la borne inversante à la masse comme indiqué :

Avec une entrée exactement nulle, la sortie de l'intégrateur devrait idéalement rester constante. En pratique, vous remarquerez que la sortie dérive lentement car les AO réels possèdent de minuscules courants de polarisation qui s'écoulent dans chaque entrée.

Court-circuitez la résistance de 1 MΩ qui met à la masse l'entrée non-inversante. Cette « résistance de compensation » adapte le chemin du courant de polarisation sur les deux entrées, annulant la tension de décalage qui serait autrement intégrée. Lorsque la résistance est court-circuitée, la sortie commence à dériver ; la reconnecter restaure la stabilité.

Après avoir rétabli la résistance de compensation, la sortie peut encore dériver légèrement en raison de l'erreur de tension de polarisation de l'AO, un sujet avancé au-delà de ce laboratoire.

SIMULATION INFORMATIQUE

Schéma SPICE avec numéros de nœuds

Netlist (copiez le texte ci-dessous dans un fichier .cir) :

Intégrateur DC
vinput 1 0 dc 0.05
r1 1 2 1meg
c1 2 3 0.1u ic=0
e1 3 0 0 2 999k
.tran 1 30 uic
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

FEUILLES DE TRAVAIL ASSOCIÉES

• Feuille de travail : Circuits AO à rétroaction négative AC
• Feuille de travail : Circuitry computationnel linéaire