Les Amplis Opérationnels

1.1.Descriptions

Les premiers ampli-op (surnom familier de l'amplificateur opérationnel) ont été développés durant la seconde guerre mondiale et ont été construits à partir de tubes à vide .Les amplificateurs opérationnels sont véritablement nés au début des années 60 au niveau de la recherche et il a fallu attendre les années 70 pour le voir dans le grand public , quand on a commencé à intégrer plusieurs transistors et résistances sur le même substrat de silicium .Cette technologie a permis de bâtir des montages complexes, et de les faire tenir sur une petite plaquette de silicium en capsulée dans un boîtier (généralement à 8 broches) .Le plus connu étant le µA 741 .L' ampli-op est un circuit qui amplifie la différence de tension appliquée au bornes de ses entrées avec de meilleurs performances qu' un ampli classique à transistor .

1.2.Symboles

 1.3.Unités ; Formules

L' amplificateur opérationnel est un dispositif amplificateur de gain élevé ,très facile à contrôler à l' aide de composants externes .

Dans "amplificateur opérationnel", il y a deux mots :

amplificateur  : c'est la fonction de base de ce composant ; on va étudier plusieurs montages amplificateurs de base.

opérationnel  : les caractéristiques de cet ampli nous donnent la possibilité de créer des fonctions mathématiques telles que dérivée, intégrale, Log... Ces fonctions ont autrefois été utilisées dans des calculateurs analogiques, et permettaient notamment de résoudre des équations différentielles, et ainsi de simuler des réponses de systèmes physiques divers (mécaniques, acoustiques...). D'où le nom "opérationnel". Nous étudierons les fonctions opérationnelles de base.

1.3.1.Le brochage

Il utilise cinq bornes , deux entrées , une sortie , une alimentation symétrique V+ et V- .

L' entrée qui a la même polarité que la sortie est appelée entrée non inverseuse et est marquée du signe "+" .L' entrée dont la polarité est opposée à celle de la sortie s' appelle entrée inverseuse et porte le signe "-" .En effet, les symboles e- et e+ n' indique pas la polarité des signaux mais font référence à ce qui arrive au signal appliqué à une entrée particulière. Un signal appliqué sur une entrée non-inverseuse garde sa polarité tandis que s'il est appliqué sur une entrée inverseuse, il change de signe .

La sortie des ampli-ops peuvent avoir un gain très élevé avec des rapports de 100,000 .

L' alimentation d' un ampli-op est souvent composé d' une alimentation symétrique .

Il est possible aussi d' alimenter certains de ces circuits de façon asymétrique , c' est à dire en utilisant une seule source d' alimentation .Il faut polariser l' entrée non inverseuse avec la moitié de la tension d' alimentation R3 = R4 .

1.3.2.Schémas théoriques des principales applications

1.3.2.1.AMPLIFICATION

Amplificateur inverseur

Ce type de montage permet d' amplifier un signal en l'inversant et le gain Av c'est a dire la valeur par laquelle on multiplie la tension d' entrée pour obtenir celle de la sortie ,se calcule en divisant la valeur de la résistance R2 par R1 avec le signe - car le signal est inversé .

Amplificateur non inverseur

Voici une autre configuration typique avec un gain Av positif .

Montage suiveur

L' amplificateur séparateur ou suiveur , la valeur du signal d' entrée suit celle du signal de sortie .Ce circuit peut sembler inutile car le gain Av = 1 ; or il sera très pratique dans le cas ou l' on a un signal d' entrée avec un certain niveau de tension mais un faible courant , en sortie de l' amplificateur la tension sera conservé mais nous disposerons alors du courant nécessaire pour commander la suite du circuit .

Av = 1

1.3.2.2.MONTAGES OPÉRATIONNELS

Additionneur inverseur

L' ampli-op facilite le montage d' additionneurs .Comme son nom l' indique , l' additionneur est un circuit dont la tension de sortie est égale à la somme des tensions appliquées à chacune de ces entrées . L ' appellation " mélangeur " s' applique au circuit qui " mélange " des signaux alternatifs , il est fort utilisé en audio .

Si le gain est différent pour chaque entrée :

Montage soustracteur (différentiel)

Ce montage permet d'amplifier la différence de deux signaux. C'est un montage de base très important en mesures. Tel quel, ce montage n'est pas un ampli de différence ; il faut imposer des conditions sur les résistances.

Si on pose : on obtient

On a bien en sortie la différence des deux signaux d'entrée multipliée par le gain k.

 

 

Montage intégrateur

 

Montage dérivateur

 

Montage logarithmique

Montage exponentiel

1.3.2.3.FILTRAGE

Passe bas 2e ordre

Passe haut 2e ordre

1.3.2.4.MONTAGES NON LINÉAIRES

Comparateur de tensions

Les ampli-ops peuvent également être utilisés pour concevoir des comparateurs analogiques qui permettent , de comparer deux signaux , ce qui donne , à la sortie , un signal ou l' autre , selon le résultat de la comparaison .

Trigger

Le comparateur régénérateur , appelé aussi Trigger de Schmitt , reconstitue un cycle d' hystérésis .La borne + sert de référence , mais celle-ci varie en fonction de la sortie à laquelle il est connecté par le biais d' un diviseur de tension .Comme la référence varie , on évite un fonctionnement intermittent , la sortie bascule d' un état à l' autre de façon moins rapproché .

 

Multivibrateur astable

Redresseur sans seuil

Détecteur de crête

 

1.4.Valeurs

Le plus connu des amplis op est le µA741 ou LM741

 

Single type

 uA741, TL061, TL071, TL081, TLC271,

 NE5534, LF411, LF351, LF356

Dual type

 uA747, LM1458, LM4558, TL062,

 TL072, TL082, TLC272, NE5532, LF412, LF353

Quad type

 LM124, LM224, LM324, TL064,

 TL074, TL084, TLC274, LF444

 

1.5.Variantes

 

1.6. Utilisations

 

2.1.Composition

 

 

2.2.Formules +

Les amplificateurs opérationnels ont beaucoup progressé depuis leur création, et tendent maintenant à devenir très proches de l'amplificateur idéal (l'amplificateur opérationnel parfait, AOP).

A la base, l'AOP est un amplificateur différentiel, donc muni de deux entrées , l'une dite non inverseuse (V+) et l'autre inverseuse (V-), et d'une sortie (s) .Avd est le gain en tension différentiel de l'amplificateur, et Avmc le gain en tension de mode commun. Dans le cas d'un amplificateur parfait, on fait l'hypothèse que ces gains ne dépendent pas de la fréquence.

On peut donner un schéma équivalent de l'AOP :

 

Pour que cet amplificateur soit parfait, les gains en tension doivent répondre aux caractéristiques suivantes :

Avd = et Avmc = 0

Un ampli parfait doit répondre aux critères suivants du point de vue des impédances :

Zed = , Zemc = , Zs = 0

3.1.Exercices

 

4.1.Programmes

5.1.Liens

 

    

Suite vers LM386