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Cours sur l'amplificateur opérationnel

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Sommaire


I/ Introduction

1) Mise en situation

divers amplificateur opérationnel AOPUn amplificateur opérationnel (aussi dénommé ampli op, AO, AOP, ALI ou AIL) est un amplificateur différentiel : c'est un amplificateur électronique qui amplifie une différence de potentiel électrique présente à ses entrées. Il a été initialement conçu pour effectuer des opérations mathématiques dans les calculateurs analogiques : il permettait de modéliser les opérations mathématiques de base (addition, soustraction, intégration, dérivation, …). Par la suite, l'amplificateur opérationnel est utilisé dans bien d'autres applications comme la commande de moteurs, la régulation de tension, les sources de courants, les oscillateurs, ...

Physiquement, un amplificateur opérationnel est constitué de transistors, de tubes électroniques ou de n'importe quels autres composants amplificateurs; on le trouve communément sous la forme de circuit intégré.

Le gain en tension très important d'un amplificateur opérationnel fait de lui un composant utilisé dans une grande variété d'applications (voir aussi le cours : AOP - Montages de base de l'amplificateur opérationnel). Certains amplificateurs opérationnels, de par leurs caractéristiques (temps de montée, faible distorsion harmonique, etc...), sont spécialisés dans l'amplification de certains types de signaux comme les signaux audio ou vidéo.

2) Historique

On doit le terme d'amplificateur opérationnel (Operational Amplifier en anglais) à John R. Ragazzini en 1947. Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés à l'ère des tubes électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques. Actuellement, les amplificateurs opérationnels sont généralement disponibles sous forme de circuits intégrés.

3) Généralités

Les paramètres des amplificateurs opérationnels varient généralement dans de faibles proportions précisées par le constructeur, et sont disponibles sous des formats, brochages, et niveaux de tensions d'alimentation standardisées. Avec quelques composants externes, ils peuvent réaliser une grande variété de fonctionnalités utiles en traitement du signal. La plupart des AO standard ne coûtent que quelques dizaines de centimes d'euros, mais un AO discret ou intégré avec des caractéristique non-standard et de faible volume de production peut coûter plus de 100€ pièce.

Les principaux fabricants d'amplificateurs opérationnels sont : Analog Devices, Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, STMicroelectronics et Texas Instruments.

4) Brochage

brochage d'un AOP Un AOP dispose au minimum de deux entrées, de deux broches d'alimentation et d'une sortie. L'entrée notée V+ est dite non-inverseuse tandis que l'entrée V- est dite inverseuse en raison de leur rôle dans les relations entrée/sortie de l'amplificateur. La différence de potentiel entre ces deux entrées est appelée tension différentielle d'entrée.

La broche d'alimentation positive repérée VS+ est parfois aussi appelée VDD, VCC, ou VCC + . La broche d'alimentation négative repérée VS- est parfois aussi appelée VSS, VEE, ou VCC - . Les appellations VCC et VEE sont généralement réservées aux AOP bipolaire tandis que les appellations VDD et VSS sont généralement réservées aux AOP à effet de champ.

Le C de VCC signifie que l'alimentation est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire tandis que le E de VEE signifie que l'alimentation est reliée à l'émetteur d'un transistor bipolaire. Le D de VDD fait référence au drain d'un transistor à effet de champ tandis que le S de VSS fait référence à la source de ce même transistor.

Suivant les applications, l'AOP peut aussi être doté de deux broches pour la compensation d'offset ainsi que d'une broche pour le réglage de la compensation fréquentielle.

II/ Etude de l'amplificateur parfait et réel

1) Amplificateur opérationnel parfait

l'amplificateur opérationnel Lm 741 (AOP) L'amplificateur opérationnel parfait possède un gain différentiel, une impédance d'entrée, ainsi qu'une vitesse de balayage infinie et un gain de mode commun ainsi qu'une résistance de sortie nulles. De plus, il ne possède pas de tension d'offset ni de courant de polarisation. Ces caractéristiques traduisent le fait que l'amplificateur opérationnel parfait ne perturbe pas le signal qu'il va amplifier et que sa tension de sortie dépend uniquement de la différence de tension entre ses deux entrées.

La présence d'un gain différentiel infini implique que la moindre différence de potentiel entre les deux entrées de l'amplificateur l'amènera à saturer. Si l'on ne désire pas que la tension de sortie de l'amplificateur soit uniquement limitée à ±Vsat suivant le signe de la différence de potentiel entre les deux entrées de l'amplificateur, l'utilisation d'une contre-réaction négative est obligatoire.

La contre-réaction sur l'entrée inverseuse (ou contre-réaction négative) d'un AOP permet de soustraire une partie du signal de sortie au signal d'entrée de l'amplificateur. On parle alors de mode linéaire car on peut faire varier la tension de sortie entre ±Vsat suivant la tension appliquée en entrée de l'amplificateur. L'absence de contre-réaction ou une contre-réaction sur l'entrée non-inverseuse de l'AOP amènera l'amplificateur en saturation positive ou négative suivant le signal appliqué en entrée. On parle alors de mode comparateur (ou saturé).

2) Amplificateur opérationnel réel

Introduction

Bien que le modèle parfait de l'AOP permette de calculer la fonction de transfert et de comprendre la plupart des montages à base d'AOP, les AOP réels possèdent un certain nombres de limitations par rapport à ce modèle.

L'AOP présente les défauts suivants : présence d'un offset en entrée, influence de la tension de mode commun sur la tension de sortie, impédance non nulle en sortie, impédance non infinie en entrée et variation en fréquence du gain. De plus, la tension de sortie peut être influencée par des variations de tensions d'alimentation et possède une vitesse de balayage finie.

Caractéristiques

Propriété Ordre de grandeur Bipolaire (LM741) BiFET (TL081) Bimos (CA3140) Cmos (LMC6035)
Gain Ad >104 2*105 2*105 105 106
Impédance d'entrée (en ohms) ›10Mohm 2*106 1012 1.5*1012 >1013
Impédance de sortie Rs (en ohms) ‹200ohm 75 100 60
fréquence de coupure f1 10Hz ~20Hz
Courants de fuite I+,I- ‹500nA 80nA 30pA 10pA 0.02pA
Tension d'offset Voff (en mV) ‹10mV 1mV 3mV 8mV 0.5mV
TRMC Ad/Amc (en dB) ›70dB 90 86 90 96
Tension de bruit 18 40 27

Classification

Ces amplificateurs ont une foule d'applications. Applications qui dépendent essentiellement de leurs caractéristiques les plus remarquables, citons pour exemple :

  • Amplificateur différentiel (R des entrées et rapport S/B).
  • Amplificateur très grand gain (R de l'ampli de sortie et rapport S/B).
  • Amplificateur suiveur (bande passante et rapport S/B).
  • Amplificateur d'erreur (R des entrées et bande passante).
  • Comparateur de tension (mode logique uniquement).
  • Oscillateur (mode logique généralement).
  • Filtre actif analogique.
  • Amplificateur inverseur de tension.
  • Amplificateur à résistance négative.

3) Utilisations

L'utilisation se fait soit en mode continu ou en mode linéaire
Le choix du mode s'effectue par la différence des contre réactions des entrées e+ et e- sur la sortie s (impédance que l'on notera Z+ et Z- en ohm).

  • Z- ‹ Z+ : on est en régime linéaire
  • Z- = Z+ : on est en régime commutation

Mode linéaire (Amplificateur)

La remarque particulière pour ce mode c'est que les potentiels e+ et e- sont égaux.

Une fois cette donnée prise en compte pour les calculs de gain, la théorie la plus appropriée est l'utilisation de la relation de Millman.

Supposons que l'on veuille rendre audible un signal de 500 millivolts sur un haut-parleur de 10 watts 4 ohms (impédance ou résistance).
Il suffit d'appliquer le signal à un amplificateur opérationnel dont le montage spécifie un facteur d'amplification de 10, pour que la tension de sortie qui pilote le haut-parleur vale 10 fois la tension d'entrée.
On aura donc en sortie un signal de 5 volts sous 4 ohms, en respectant la condition de rester dans le domaine de puissance de sortie de l'amplificateur (ici pratiquement 7W).

Mode comparateur (ou saturé)

Un AOP possède deux entrées repérées + et -.
Dans son mode opérateur logique, on utilise sa propriété de très grand gain (Av) pour comparer deux signaux.
Le facteur d'amplification n'est donc plus externe mais interne et l'on obtient :
Tension de sortie = Av * [(tension entrée +) - (tension entrée -)]

Il ne fonctionne plus en « amplification » traditionnelle, mais en tout ou rien logique ou comparateur de tension (car le coefficient d'amplification interne Av est très grand ; assimilé à la valeur infinie pour un AO idéal), c'est-à-dire qu'en sortie il n'y a que 2 états stables possibles :

  • Si l'entrée + est supérieure (en tension) à l'entrée - : la sortie = +Vsat.
  • Si l'entrée + est inférieure (en tension) à l'entrée - : la sortie = -Vsat.

Il s'agit en fait d'un fonctionnement « en boucle ouverte » ou sans contre réaction, c'est-à-dire sans contrôle du gain de l'amplificateur.

En théorie, lorsque les potentiels électriques des deux entrées sont strictement égaux, la tension de sortie devrait être nulle. En pratique, cet état n'est jamais atteint car il est extrêmement instable : le moindre déséquilibre interne à l'amplificateur ou la moindre variation de température suffit à provoquer le basculement de la sortie de l'amplificateur vers l'état saturé positif ou négatif.

III/ Complément de cours :

Pour avoir d'autres informations sur les amplificateurs opérationnel, n'hésitez pas à allez voir la page sur les montages de base de l'amplificateur opérationnel.

1) Liens de cours

a) wikipedia :

wikipedia

Ce cours à été adapté (en partie) du cours proposé par Wikipedia. J'ai synthétisé et ré-expliqué certains thermes afin de faciliter la compréhension pour tous.

Vous pouvez retrouver le cours original de la célèbre encyclopédie libre Wikipedia:
Wikipedia - Amplificateur opérationnel

Ce cours propose des explications sur les AOP "idéaux", "réel", et leurs utilisations possible.

b) Université du mans :

Ce cours est au format .pdf, il est bien expliqué. En 14 pages il résume bien les grands points des AOP, en passant de la théorie jusqu'au divers montage possible avec les amplificateurs.
http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/cours_elec/aop.pdf

c) Cours d'un ancien chercheur :

Cet aprentissage de l'amplificateur opérationnel divisé en 3 parties, permet de comprendre toutes les suptilitées de l'AOP. En effet, ce cours est très riche, et il a été rédiger par un ancien chercheur au CNRS.
http://perso.orange.fr/michel.hubin/physique/elec/chap_aop1.htm


Je vous remercie d'avoir prie le temps de regarder ce cours sur les AOP.
J'espère que cela vous à plut, si vous avez des questions, des idées, suggestions, remarques, "coup de gueule", ... n'hésiter pas à me le faire savoir en m'envoyant un courriel.