AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL CMOS TS271

 

1.       Introduction : théorie et historique sur le transistor MOS

Avant toute chose, qu'est-ce qu'un ampli opérationel ? Un amplificateur opérationnel (aussi dénommé ampli-op ou AOP) est un amplificateur différentiel c'est à dire un amplificateur électronique qui amplifie une différence de potentiel électrique présente entre ses 2 entrées (+ et -). Il a été initialement conçu pour effectuer des opérations mathématiques dans les calculateurs analogiques du milieu du 20ème siècle, il permettait de modéliser les opérations mathématiques de base comme l'addition, la soustraction, l'intégration, la dérivation ainsi que d'autres. Par la suite, l'amplificateur opérationnel fut utilisé dans bien d'autres applications comme la commande de moteurs, la régulation de tension, les sources de courants ou encore les oscillateurs. Les calculs se font désormais d'avantage par voie numérique.

Pour continuer cette étude nous allons vous faire un petit historique de la technologie MOS :

Le transistor MOS fut élaboré et breveté dans les années 20 mais la technologie requise pour sa conception, pour éviter les chocs statiques et « griller » le composant simplement en le prenant en main, ne fut acquise que fin des années 50 et produit massivement début - milieu des années 60 grâce à l’essor des circuits intégrés et de l’apparition de la technologie CMOS.

Le but premier du transistor est de permettre de contrôler le courant qui traverse un circuit.

Dans notre cas le transistor MOS à 3 régimes possible :

Les explications qui suivent sont tirées du syllabus de 2ème Bachelier et concernent le transistor canal N. Pour  le canal P les conventions sont inversées :

MOS

1.        Amplificateur opérationnel CMOS TS271

Pour cette étude de l’amplificateur opérationnel en technologie CMOS notre choix s'est porté sur un TS271 qui est un amplificateur oppérationel à basse consommation de courant pouvant aller de 1,5 µA à 130 µA et bon marché.

Représenté ci-dessous en montage intégrateur. Avf = -(R2/R1) . 1/(1+jw.R2.C2)

TS271_SCHDOC

En rouge le mirroir de wilson, en vert l'étage différentiel, en mauve l'étage de gain filtré et en jaune l'étage de sortie.

Pour le schéma Complet avec les référence et numéros des composant, consultez ce lien : Schéma Complet


Videomodèle de l'amplificateur en montage intégrateur : Vue interne



Videomodèle de l'amplificateur en montage intégrateur : Vue externe


2.       Détails

Schema simplifie 1

Nous pouvons redessiner le schéma de l’amplificateur sous une première forme simplifiée où l’on peut voir les différents blocs du circuit. Remarquons que les transistors JFET du schéma block sont en fait des P-MOS dans le schéma réellement étudié (voir ci-dessus).

 

Source : datasheet TS271

Schema simplifie 2 : montage inverseur

Voici une autre forme simplifiée du circuit en montage inverseur :

TS271_SCHDOC-inverseur


Videomodèle de l'amplificateur en montage inverseur : Vue externe


Pour être cohérent il faudrait avoir une tension flottante à la borne +  de l’ampli d’environ +5 V pour que lors des simulations, nous ayons un signal sinusoïdales en sortie. En mettant le GND à la borne +, nous observons qu’une seul alternance puisque l’on ne peut pas descendre en dessous du 0V dans ce cas-ci.

Schéma simplifié 3 : Miroir de Wilson avec sortie multiple

Le miroir de Wilson a pour but de fournir une source de courant constante. Il permet dans le cas de notre montage de préserver le courant ID28-ID29 (la branche V6) de l’effet Early grâce à un montage cascode entre M27 et M28. Le montage qui est utilisé ici est à sortie multiple, nous pouvons donc remplacer les transistors M27-M5-M6-M10 et les considérer comme des sources de courant recopiant le courant sortant de M26 et imposant I1. Nous constatons également que M29 dégénère en une Diode (drain et base connecté ensemble) et M9 dont la base est connectée à la base de M29 deviendra l’équivalent d’une source de courant qui est imposé par M29 (miroir de courant).

Voir schéma complet pour une meilleure compréhension (Schéma Complet )

TS271_SCHDOC-wilson


Videomodèle du mirroir de wilson


Schema simplifié 4 : Etage différentiel

Le but d'une paire différentielle est d'amplifier la différence de potientiel qu'il existe entre la borne plus et la borne -. La tension effectivement amplifiée sera donc (V+) - (V-). Il n'y a pas d'inversion du signe de la tension à cet étage. Le courant qui sort de M5 (la branche V11) va se diviser en 2 courants qui tendront à être équivalents. M3 va dégénérer en diode et imposer son courant en M4. C'est à ce niveau ce situe aussi la correction de la tension d’offset avec V8 et V9.

TS271_SCHDOC-differentiel


Videomodèle de l'étage différentiel



Schema simplifié 5 : étage de gain (montage darlington) à source commune

C'est dans cet étage que l'amplification à proprement parler a lieu. En se faisant suivre 2 transisor suivant le montage darlington, nous obtenons un transistor à haut gain qui fournira la puissance à l'étage suivant : l'étage de sortie. La capacité et la résistance mises en parallèle sur le transistor permettent de filter les hautes fréquences du signal de facon connue, suivant le comportement d'un filtre passe bas du premier ordre. Cela diminue le gain en haut fréquence mais a l'avantage que le gain en HF suit un comportement connu. A noter que cet étage inverse la polarité.

etage de gain


Schema simplifié 6 ; Etage de sortie : Drain commun et paire différentielle


Le but de cet étage est de réduire la résistance (impédance) de sortie du montage. Le fonctionnement de cet étage dépasse le cadre de nos connaissances. Mais L'ouvrage "Analog Electronics with labview" l'explique en partie.

etage de sortie