Carte d'expérimentation pour amplificateurs opérationnels

Un cours d'introduction typique de génie électrique, dispensé en laboratoire, commence par les bases : des informations sur les résistances, les condensateurs, les inductances, les diodes et la manière d'analyser des circuits de base à l'aide des lois de Kirchhoff. Les travaux pratiques pour ces sujets utilisent généralement un dispositif auquel s'appliquent simultanément des opposés polaires : une bénédiction ET une malédiction, l'amour ET la haine, un terrain de jeu illimité pour l'exploration électronique ET le cauchemar de l'existence d'un étudiant en génie électrique. Quel est ce dispositif à la fois terrible et merveilleux ? Le montage d'essai sans soudure.

Nous n'entrerons pas trop dans les détails des montages d'essai sans soudure, si ce n'est pour dire qu'ils ont tout à fait leur place et qu'ils ne sont pas près de disparaître. Ils sont inestimables pour se familiariser avec la sensation physique des composants électroniques, pour construire ses premiers circuits tout en permettant la réutilisation des composants, et pour arriver à l'équivalent électronique de « Hello, World! » en allumant une LED (n'oubliez pas la résistance série !). Mais après les premiers circuits à 3, 4, 5 ou 6 composants comme le filtre passe-bas de 2^e ordre¹ illustré à la Figure 1, la probabilité d'erreurs de connexion, de courts-circuits, de connexions ouvertes et, pire encore, de connexions intermittentes, grimpe en flèche.

Figure 1. Circuit de montage d'essai « simple » typique. (Source de l'image : Analog Devices)

À mesure que la complexité et le nombre de composants d'un circuit augmentent, il y a un moment où les montages d'essai deviennent inutilisables² et où il est alors techniquement essentiel et économiquement viable de produire une carte à circuit imprimé. Grâce à la profusion de logiciels de configuration à faible coût, gratuits et open-source, et aux fabricants de circuits imprimés bon marché, ce moment de décision se résume à un niveau de complexité ridiculement bas. Il est désormais possible de regarder quelques vidéos éducatives, de télécharger un logiciel de configuration gratuit, de concevoir une carte et de la recevoir par la poste une semaine plus tard, le tout pour une somme dérisoire. Cela représente une opportunité pour les enseignants et les étudiants, alors évitons les expériences imaginaires et prenons un exemple concret.

Après les circuits les plus basiques (diviseurs de tension, filtres RC simples, diodes et un ou deux amplificateurs à transistors), un étudiant fait souvent la découverte de l'amplificateur opérationnel. L'amplificateur opérationnel (purement analogique) est un composant extrêmement polyvalent. Même en 2023, alors que l'attention se tourne vers l'intelligence artificielle (IA), l'informatique, le numérique par-ci, les logiciels par-là, il y a toujours de petits signaux provenant du monde physique qui doivent être amplifiés, des signaux faibles qui doivent être rendus plus forts, souvent pour commander un convertisseur analogique-numérique (CAN) qui permet au signal de relever ensuite purement du domaine numérique. Le cas inverse est également vrai : les signaux du monde numérique sont convertis en signaux analogiques, amplifiés et transmis à un émetteur radio, un haut-parleur, un écouteur ou un écran, en vue d'être utilisés par les humains (très analogiques).

Les premiers circuits d'amplificateur opérationnel qu'un étudiant conçoit ne sont pas très compliqués. Ils se composent de l'amplificateur opérationnel lui-même, de condensateurs de découplage pour l'alimentation (ne les oubliez pas !) et de quelques composants passifs qui déterminent la fonction. Voici quelques exemples :

• Tampon gain unité/suiveur de tension
• Gain de -1 (onduleur analogique)
• Gain de +2
• Autres gains inverseurs et non inverseurs
• Amplificateur différentiel
• Intégrateur (et filtres passe-bas)
• Différentiateur (et filtres passe-haut)

Chacun de ces circuits peut être construit sur un montage d'essai avec une forte probabilité de réussite. Mais parmi tous les circuits, il y en aura certains qui, au cours d'une séance de laboratoire, provoqueront la frustration de certains étudiants, et dans le pire des cas, de la fumée magique³ sortant de l'amplificateur opérationnel.

En outre, les configurations sont sélectionnées par cavaliers, ce qui permet à un étudiant de passer facilement d'une fonction à une autre pour développer plus rapidement son intuition, par exemple en passant d'un gain inverseur à un gain non inverseur ou d'un différentiateur à un intégrateur.

Le circuit de la Figure 2 (liste des composants ici) a été conçu pour permettre à toutes ces configurations d'être testées, mesurées et étudiées avec 100 % de chances de réussite, pour un coût total dérisoire. Vous pouvez également obtenir les fichiers de circuit imprimé sur GitHub, et même commander la carte via les services DKRed ou PCB Builder de DigiKey.

Figure 2a. Schéma KiCad d'expérimentation d'amplificateur opérationnel. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 2b. Schéma LTspice d'expérimentation d'amplificateur opérationnel pour la simulation. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 2c. Carte à circuit imprimé d'expérimentation d'amplificateur opérationnel. (Source de l'image : Analog Devices)

Plusieurs styles d'amplificateurs opérationnels sont pris en charge, et les dispositifs individuels peuvent être échangés en installant des connecteurs sur la carte. Les amplificateurs opérationnels simples et doubles ont un brochage standard à 8 broches. Les broches supplémentaires d'un amplificateur opérationnel simple servent à diverses fonctions, la plus courante étant le réglage du décalage via un potentiomètre dont le curseur est relié à l'un des rails d'alimentation. Cette fonction est entièrement prise en charge. Un connecteur SIP central permet de raccorder un amplificateur opérationnel discret à transistors, décrit dans cet exercice d'apprentissage actif.

Avant de passer aux travaux pratiques, il est instructif d'étudier les circuits sur papier, en calculant le comportement attendu en fonction des composants sélectionnés. Une simulation LTspice est fournie avec toutes les valeurs de composants saisies, offrant ainsi un autre moyen de prédire le comportement du circuit, notamment la réponse transitoire (domaine temporel) et CA (domaine fréquentiel)⁴.

Enfin, actionnons l'interrupteur et voyons ce que fait concrètement le circuit. Nous utiliserons ici l'ADALM2000 d'Analog Devices, mais la carte est conçue pour être utilisée avec presque tous les générateurs de signaux, oscilloscopes et alimentations bipolaires de table, ainsi qu'avec d'autres instruments de test multifonctions comme la carte STEMlab de Red Pitaya.

Nous commençons avec l'amplificateur OP97 inclus dans le kit de composants ADALP2000, qui offre une très vaste plage d'alimentation de ±2,25 V à ±20 V, et les sorties d'alimentation de l'ADALM2000 sont réglées en conséquence sur ±5 V. Configurons la carte pour l'un des circuits les plus intéressants, l'amplificateur différentiel, et appliquons une onde sinusoïdale de 1 kHz et 1 Vp-p à l'entrée non inverseuse, et une onde en dents de scie de 100 Hz et 1 V à l'entrée inverseuse. Cette forme d'onde nous permet d'observer sans ambiguïté l'inversion de polarité de l'entrée inverseuse, comme le montrent les Figures 3a (simulation LTspice) et 3b (résultats mesurés). Le canal 1 (orange) représente la sortie de l'amplificateur opérationnel et le canal 2 correspond à l'entrée inverseuse du circuit.

Figure 3a. Simulation LTspice d'un amplificateur différentiel. (Source de l'image : Analog Devices)

Figure 3b. Résultats mesurés de l'amplificateur différentiel. (Source de l'image : Analog Devices)

Des instructions complètes pour plusieurs exercices supplémentaires sont disponibles sur les pages Operational Amplifier Experimenter Board pour l'ADALM2000 et Op Amp Experiment Practical Session pour la carte STEMlab de Red Pitaya. Tous les fichiers de conception de circuits imprimés (au format KiCad) et les fichiers Gerber sont publiés conformément aux dispositions de la licence Creative Commons BY-SA. Les liens renvoient aux pages d'exercices associées.

Maintenant que le circuit est opérationnel, un étudiant (ou un ingénieur en activité qui souhaite se rafraîchir la mémoire) peut passer d'une configuration à une autre, en étudiant le comportement attendu lorsque toutes les règles sont respectées. Tout aussi important, il peut aussi examiner les limites lorsque ces règles sont enfreintes (écrêtage de sortie, plage de mode commun d'entrée, limites de largeur de bande, et une myriade d'autres petites subtilités qui rendent l'électronique analogique si amusante), sans avoir à s'inquiéter des erreurs de traduction des schémas en connexions sur le montage d'essai, des courts-circuits, des circuits ouverts ou des connexions desserrées. Les occasions d'effectuer de telles tâches ne manqueront pas par la suite, tant dans le laboratoire universitaire que dans la vraie vie.

Notes de bas de page :

1 - https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-active-filter

2 - Apparemment, cet ingénieur n'a pas reçu ce mémo : https://eater.net/8bit/

3 - Voir : https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke

4 - L'auteur n'a pas d'opinion sur la question de savoir s'il est préférable de procéder d'abord à des calculs manuels, à des simulations ou à des essais pratiques. La plupart des activités de développement et de débogage dans le monde réel impliquent de toute façon une itération des trois dans des ordres différents.