Amplificateur opérationnel

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Amplificateur opérationnel LM741 en boitier DIP8

Un amplificateur opérationnel est un dispositif électronique actif dont la caractéristique principale est d'amplifier une différence de tension (amplificateur différentiel), avec un gain très important et une adaptation d'impédance. Il peut être réalisé avec des composants discrets, ou plus généralement incorporé dans un circuit intégré.

De par son gain important, un amplificateur opérationnel présente divers modes de fonctionnement, suivant le montage dans lequel il est utilisé. On distingue le mode linéaire, stabilisé gràce à une boucle de contre réaction, et le mode saturé.

Certains amplificateurs opérationnels sont spécialisés dans des domaines d'applications, comme la sonorisation, de par leurs caractéristiques (temps de réponse rapide, faible distortion harmonique).

L'amplificateur possède plusieurs dénominations : Ampli op, AO, AOP, AIL, Amplificateur Linéaire Intégré (ALI). Sa représentation varie également suivant les pays :

Sommaire

1 Historique
2 AO idéal
- 2.1 Caractéristiques
3 AO réel
- 3.1 Caractéristiques
- 3.2 Classification
4 Utilisations
- 4.1 Mode linéaire (Amplificateur)
- 4.2 Mode comparateur (ou saturé)
5 Quelques circuits très courants
6 Voir aussi
- 6.1 Lien interne
- 6.2 Liens externes

[modifier] Historique

Les amplificateurs opérationnels ont été initialement conçus pour effectuer des opérations mathématiques en utilisant la tension comme image d'une autre grandeur. C'est le concept de base des calculateurs analogiques dans lesquels les amplificateurs opérationnels sont utilisés pour modéliser les opérations mathématiques de base (addition, soustraction, intégration, dérivation, …). Cependant, un amplificateur opérationnel idéal est extrêmement souple d'utilisation et peut effectuer bien d'autres applications que les opérations mathématiques de base. En pratique, les amplificateurs opérationnels sont constitués de transistors, tubes électroniques ou de n'importe quels autres composants amplificateurs et ils sont implémentés dans des circuits discrets ou intégrés.

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 disponibles sous forme de circuits intégrés, bien que des versions sous forme de composants discrets soient utilisés pour des applications spécifiques.

Des amplificateurs opérationnels simple et double en boîtier DIP 8

Le premier AO intégré disponible en grande quantité, à la fin des années 60, fut l'AO bipolaire Fairchild μA709, crée par Bob Widlar en 1965; il a été rapidement remplacé par le μA741 qui offrait de meilleures performances tout en étant plus stable et plus simple à mettre en œuvre. Le μA741 est encore fabriqué de nos jours, et est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabriquants produisent une version améliorée de cet AO, reconnaissable grâce au « 741 » présent dans leur dénomination. Depuis, des circuits plus performants ont été développés, certains basés sur des JFET (fin des années 70), ou sur des MOSFET (début des années 80). La plupart de ces AO modernes peuvent se substituer, sans aucun changement, à un μA741, dans un circuit de conception ancienne, afin d'en améliorer les performances.

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 dicret ou intégré avec des caractéritiques non-standard et de faible volume de production peut coûter plus de 100 euros pièce.

[modifier] AO idéal

En théorie, l'AO peut-être considéré comme parfait (ce qui signifie que les courants d'entrée sont nuls i⁺ = i^- = 0 dus à une résistance d'entrée infinie). Ce composant a deux entrées, une sortie.

[modifier] Caractéristiques

Gain en tension infini.
Impédance des entrées infinie.
Impédance de sortie nulle.
Bande passante de zéro hertz jusqu'à l'infini.
Vitesse de balayage infinie.
Puissance de bruit ou Facteur de bruit nuls.

[modifier] AO réel

Il présente deux limitations principales par rapport à un amplificateur idéal : la valeur du gain est finie et fonction de la fréquence et la tension de sortie est limitée par les tensions d'alimentation. L'expérience montre que la réponse en fréquence est pratiquement celle d'un système passe-bas du premier ordre dont le produit gain-bande passante est constant. De plus, lors d'une demande en courant, il y a une chute de tension due à la résistance de sortie (de l'ordre de plusieurs dizaines d'ohms, 50Ω environ), qui est calculable par le modèle équivalent de Thévenin.

Caractérisation réelle d'un AOP

L'AOP présente les défauts suivants : courants d'offset et tension d'offset à l'entrée, TRMC, impédance de sortie, variation en fréquence du gain.

[modifier] Caractéristiques

Voici un tableau donnant les caractéristiques de quelques AOP :

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

[modifier] 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.

[modifier] Utilisations

Mode continu ou 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

[modifier] Mode linéaire (Amplificateur)

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

e+ = e-

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

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).

[modifier] 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) propre au composant signalé dans les caractéristiques constructeurs] 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'amplication 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.