Amplificateur opérationel

Amplificateur opérationnel (AOP)

Ce chapitre sera divisé en deux parties :

Caractéristiques et régimes de fonctionnement du composant AOP
AOP idéal fonctionnant en régime linéaire

1) Pourquoi des montages AOP ?

L’AOP est un circuit intégré logique.
L’amplificateur opérationnel permet de réaliser de nombreuses fonctions électroniques :

des opérations arithmétiques sur des tensions : addition, soustraction, amplification (multiplication par une constante), intégration, dérivation, …

2) Présentation du composant AOP : symbole, brochage, caractéristiques

L’AOP possède 2 entrées :

- L’entrée inverseuse affectée du signe (-)
- L’entrée non-inverseuse affectée du signe (+)

Ajouté à cela, il possède des courants d’entrées I+ et I-
De plus, il possède une sortie :

-Vs (tension de sortie « s ») avec Vs = GV0 . (v+ - v-) = GV0 . Ɛ
avec GV0 : gain en tension (donnée constructeur)
NB : Ɛ se lit « epsilon »

Voici un extrait de la datasheet (fiche technique) du LM741 où on y voit le Gain représenté en V/mV.

Voici à quoi ressemble le LM741 pris pour exemple précédemment :

à gauche, le composant qui est disponible sur le site et à droite le branchement des 8 pattes de cet AOP. A noté qu’un mauvais branchement peut provoquer un dysfonctionnement de l’AOP, faites bien attention à ne pas vous tromper, regardez bien la datasheet du composant pour minimiser les erreurs futiles.

3) Composant actif -> tensions d'alimentations

Alimentation symétrique (Dual supply) -> ± Vcc
Alimentation asymétrique (Single supply) -> +Vcc /GND

En ce qui concerne les tensions de saturations :

La tension de déchet peut s’exprimer de deux manières :

= 1 à 1.5V pour un AOP classique
= 300 mV pour un AOP rail to rail

Afin de retrouver cette tension de déchet à l’aide d’une datasheet, on regarder le paramètre « Output Voltage Swing » exprimé en Volts
NB : Dans la plupart des cas on prend la valeur typique « typ » sur les datasheets.

4) Caractéristique Vs = f(Ɛ) – Régimes de fonctionnement

+Vcc et –Vcc : tensions continues = tensions d'alimentation
Ve : tension d'entrée imposée au montage par une source de tension
Vs : tension de sortie du montage
Imposée par le montage
Mesurée au voltmètre ou visualisée à l'oscilloscope

5) Bouclages de l'amplificateur opérationnel

Le bouclage correspond au retour du signal de sortie sur l'une des entrées

Entrée inverseuse = contre-réaction

Entrée non-inverseuse = réaction

5.1) La contre-réaction

5.2) La réaction

5.3) Conclusion sur le lien entre bouclages et régime de fonctionnement

Voici un résumé des choses à retenir sur cette partie :

6) Approximation de l’AOP idéal

La plupart du temps, pour simplifier les calculs, on considérera que l’AOP est idéal :
La première approximation sera celle des courants I+ et I- qui ne valent qu’environ 10nA, on supposera alors que I+ = I- = 0
La seconde approximation concernera Ɛ en régime linéaire qui est très petit et voisin de zéro, on supposera alors que Ɛ = 0 donc v+ = v-

II- AOP idéal fonctionnant en régime linéaire

Définition : La fonction amplification

C’est l’une des fonctions principales réalisée autour d’un AOP. Elle va permettre d'augmenter l'amplitude d'un signal.

Les montages utilisés s’appelleront des montages amplificateurs

Amplification en tension = multiplication d'une tension par une constante :

Vs = GV0 . Ve

Le modèle boite noire d’un amplificateur :
Ce dernier est un outil relativement simple permettant de donner un modèle du comportement de tout amplificateur

GVo.Ve est la source de tension dépendante proportionnelle à la tension d’entrée Ve, et qui modélise la fonction amplification ; à vide, VS = GV0 . Ve

Le modèle boite noire présente 3 caractéristiques :

Gv0 : Gain en tension à vide avec Gv0 = (Vs/Ve)
Ze : impédance d’entrée avec Ze = (Ve/Ie)
Zs : impédance de sortie

1) Trois montages amplificateurs de base

1.1) Amplificateur inverseur

On fait l’approximation de l’AOP idéal donc I+ = I- = 0
On s’aperçoit que le schéma présente une contre-réaction donc Ɛ = 0

Avec ceci, nous pouvons calculer les paramètres caractéristiques de l’amplificateur inverseur

Première méthode de calcul :

A l’aide de la loi des nœuds présente sur le montage mais aussi la loi des mailles :

Ve - R1.i + Ɛ = 0
Vs + R2.i + Ɛ = 0

Ve = R1.i
Vs = - R2.i

I = (Ve/R1)
Vs = -(R2/R1).Ve
Gv0 = Vs/Ve = (-R2/R1)

Seconde méthode de calcul:

Il s’agit là de résoudre le problème à l’aide du théorème de Millman. Si vous ne comprenez pas cette méthode, sachez que nous y reviendrons à la fin du chapitre.

V+ = 0

Avec I- = 0 car nous considérons que l’AOP est idéal.
Ici, nous sommes en régime linéaire, donc V+ = V-

Dans notre cas, Gv0 est négatif (signe négatif sur la fraction (R2/R1)), ce qui signifie que Vs et Ve sont en opposition de phase (déphasage de π).

Par exemple :

Gv0 = (Vs/Ve)
Gv0 = ( -5x2 ) / ( 4x0,5 ) = -5

Afin de retrouver ce résultat, il suffit de prendre Vs et Ve crête à crête (attention Vs et Ve dans cet exemple ne font pas 1V/carreaux, regardez-en haut à gauche de l’image pour le savoir).

1.2) Amplificateur non-inverseur

Première méthode de calcul :