Les amplificateurs opérationnels

Introduction

Les amplificateurs opérationnels, ou ‘amplis op’, possèdent 5 connexions principales :

VS+ et VS- sont appelés les liens d’alimentation qui fournissent l’alimentation à l’amplificateur. Conceptuellement, VOUT est une sortie dont la tension varie entre VS+ et VS- ; en pratique la tension disponible est légèrement inférieure à VS+ et légèrement supérieure à VS-, ceci dépend de l’amplificateur et de la charge (combien de courant est consommé par l’amplificateur). Ceci est du aux chutes de tensions dans les résistances internes.

V+ et V- sont les entrées de l’ampli op. Elle sont différentielles car l’amplificateur travaille sur la différence de valeur entre ces deux entrées. Comme le nom l’indique, l’amplificateur amplifie (multiplie) la différence sur les entrées avant de la transmettre sur la sortie. Le coefficient d’amplification, ou gain, est très élevé – autour de 100 000x pour la plupart des amplis op – cependant des techniques peuvent être utilisées pour obtenir un gain raisonnable (tel que 2x ou 10x par exemple), comme nous allons le voir dans la suite de l’article. V+ est également appelée l’entrée non inverseuse et V- l’entrée inverseuse.

Le comparateur

Un comparateur est un dispositif qui compare deux tensions analogiques pour produire une sortie numérique binaire (haut ou bas, 1 ou 0, vrai ou faux) selon qu’une tension dépasse l’autre. Exprimé autrement, le comparateur répond à la question : est ce que V+ est supérieur à V- ?

Dans l’exemple ci-dessus nous avons connecté l’alimentation positive de l’ampli op au +5V et l’alimentation négative au 0V (GND). V- admet une tension de référence de +2.5V issue d’un diviseur de tension (les résistances R1 et R2). L’ampli op pose la question. V+ est-il supérieur à 2.5V ?

Lorsque V+ (courbe en jaune) dépasse +2.5V (courbe en rouge) alors la sortie (courbe en vert) passe à HIGH/TRUE (+5V) et lorsque V- passe au-dessous de 2.5V alors la sortie passe à LOW/FALSE (0V/GND).

Le fait de modifier la valeur de V-, change la question – par exemple, la tension V+ est-elle supérieure à 1V ?

Le buffer (tampon)

Le rôle d’un buffer est d’isoler deux parties d’un circuit afin que les modifications électriques apportées sur une partie n’affectent pas l’autre. Le tampon ne change pas la forme du signal et permet d’adapter les impédances.

Les entrées de l’amplificateur opérationnel sont à haute impédance, ce qui signifie qu’elles ne tirent pas beaucoup de courant. Ceci est particulièrement significatif lorsque le signal source qui arrive sur l’ampli op est également à haute impédance, ce qui implique qu’il ne pourra pas fournir beaucoup de courant car, dans le cas contraire, le signal serait distordu.

Dans l’exemple ci-dessus, l’entrée sur la charge est à haute impédance (résistance de 1k qui limite le courant qui peut être délivré). En conséquence, le signal (courbe jaune) et fortement distordu (courbe verte) lorsqu’il atteint la charge (LOAD).

En reportant la sortie de l’ampli op sur l’entrée V-, nous donnons un gain de 1 à l’ampli op (ampli suiveur). Celui-ci fournira un courant additionnel depuis ses liens d’alimentation (basse impédance).

Du fait des chutes de tensions dans les composants internes à l’ampli op, nous voyons qu’il peut délivrer au maximum 2.5V sur la sortie avec cette charge. Il est possible de résoudre ce cas de figure en alimentant l’ampli op avec une tension positive de 9V :

Utiliser l’ampli op comme buffer tout en lui fournissant une puissance/tension suffisante, permet de convertir une source à haute impédance en une sortie basse impédance.

Pour comprendre comment la configuration buffer fonctionne, considérons les 3 scénarios suivants (souvenez-vous que la sortie et l’entrée V- sont reliées) :

Sortie différentielle positive

V+ > V-. L’ampli op multiplie la différence et augmente la tension en sortie, ce qui fait croître la tension en V- et décroitre l’étendue de l’entrée différentielle.

2. Sortie différentielle négative

V+ < V-. L’ampli op multiplie la différence et diminue la tension en sortie, ce qui fait décroître la tension en V- et croitre l’étendue de l’entrée différentielle.

3. Sortie différentielle nulle

V+ = V-. La sortie de l’ampli op ne change pas

Nous constatons que l’ampli op ajuste toujours la sortie / V- afin de diminuer l’entrée différentielle jusqu’à ce que la sortie corresponde à l’entrée V+ et se stabilise. En d’autres termes, la sortie suit l’entrée V+.

L'amplificateur

Nous allons enfin parler de la fonction amplification ! En mettant à l’échelle le lien de retour vers l’entrée V-, nous pouvons obtenir un gain (multiplier) différent de 1 sur la sortie.

Dans l’exemple ci-dessus, nous avons une onde sinusoïdale de 0.5V 1 kHz sur l’entrée, centrée autour de 2.5V. Notez également que le niveau d’alimentation positive est de +9V. Le ratio du diviseur de tension est de 1 :1, avec un retour sur l’entrée V- ; il en résulte que les tensions sont multipliées par 2. La tension centrée de 2.5V devient 5V, le pic de 3V devient 6V et l’étendue de 2V devient 4V (une amplitude de 1V pic-pic comprise entre 2V et 3V multipliée devient 2V pic-pic entre 4V-6V).

Si nous voulons sélectionner 2.5V comme tension du centre (ou offset) pour l’amplification, alors nous devons référencer le gain de retour à 2.5V (qui pourrait être également fourni par un ampli op buffer séparé si nécessaire) :

A présent nos deux pics sont à 3.5V et nos creux à 1.5V, ce qui nous donne toujours une amplitude pic à pic de 2V (donc un gain de x2)

Bien sûr nous pouvons aussi avoir des entrées et de sorties centrées autour de 0V, en appliquant une tension négative sur le lien d’alimentation négative de l’ampli op (et un signal d’entrée centrée autour de 0V sur l’entrée V+) :

Nous pouvons changer le gain en modifiant le diviseur de tension de retour, tel que le diviseur 3:1 qui produit un gain x4 :

Comparateur avec hystérésis (Trigger de Schmitt)

Une hystérésis peut être décrit comme une réticence au changement. Essentiellement l’hystérésis dit, une fois que j’ai changé, il faudra me persuader pour que je change à nouveau. Ceci peut être très utile pour éviter qu’une sortie ne commute rapidement (flip-flop) lorsque l’entrée oscille autour d’un niveau de seuil. Par exemple, prenons un ventilateur qui se met à tourner lorsque la température dépasse 30°C ; nous pourrions constater que dès qu’il tourne la température repasse sous les 30°C (disons 29.99°C), ce qui arrête le ventilateur – ce qui fait repasser la température au-dessus de 30°C, ce qui relance le ventilateur. Ce cycle peut se répéter très rapidement pour endommager le moteur ainsi que déranger les personnes à proximité. Le fait d’ajouter une hystérésis au système peut se traduire par la condition suivante : le ventilateur se met en action lorsque la température atteint 31°C, mais ne s’arrête que lorsque la température redescend au-dessous de 29°C.

L’hystérésis peut être ajoutée avec un ampli op comparateur en renvoyant (feedback) la sortie sur l’entrée V+ :

Dans ce cas nous voyons que la sortie hésite à changer après avoir atteint le seuil de 2.5V jusqu’à ce que l’entrée l’ai dépassé d’environ 1V supplémentaire.

En ajoutant du bruit sur l’entrée, nous comprenons l’intérêt de l’hystérésis :

Dans le circuit ci-dessus, la sortie commute en ON et OFF rapidement autour du seuil en relation avec les variations liées au bruit.

L’ajout d’hystérésis permet d’obtenir une commutation propre :

Spécifications des ampli op

Bien évidemment de très nombreux ampli op existent, avec de caractéristiques et des prix variables. Certaines spécification indiquent la vitesse de réaction de l’ampli op lorsque l’entrée change (la bande passante qui détermine la fréquence maximale que peut gérer l’ampli op) les tensions maximum acceptées, comment la sortie se comporte pour des tensions proches des tensions d’alimentation, combien de courant l’ampli op peut sortir, et ainsi de suite : les sites internet des fournisseurs autorisent des recherches génériques et la consultation des notices techniques, ce qui facilite la sélection du bon ampli op pour une application donnée.

Conclusion

Les amplificateurs opérationnels sont des composants importants qui interviennent dans les circuits de traitement du signal analogique. Ils trouvent également leur utilisé comme comparateurs dans les applications numériques.

Proteus fournit des outils et des exemples de projets pour concevoir et tester des circuits à ampli op, y compris les analyses par graphes ou la simulation temps réel interactive (voir exemple Proteus ‘741 noise analysis’ qui simule totalement un 741, avec ses composants internes).

Traduction française