L`AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL

1°) Origine de l’amplificateur opérationnel :
C’est un amplificateur différentiel ayant certaines caractéristiques particulières , il fut
utilisé pour désigner des amplificateurs à courant continu destinés à effectuer diverses
opérations arithmétiques.
Actuellement l’amplificateur opérationnel est réalisé sous forme de circuit intégré il est
relativement simple à mettre en oeuvre et d’un prix de revient assez faible d’ou son
apparition dans de nombreux montages .
2°) Constitution :
a) Principe de fonctionnement de l’amplificateur différentiel :
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Cet amplificateur possède deux sorties symétriques , si les deux entrées ont même phase et
même amplitude , il n’y a aucune amplification.
Par contre si on applique une tension sur E2 et une tension différente sur E1 , une
différence de potentiel (U1 - U2)xGain de T2 apparait en S2 ainsi que (U2 - U1)xGain de
T1 apparait en S1 .
US = US1-US2 = 2A.(U2-U1)
Sur les amplificateurs opérationnels intégrés on peut trouver différents circuits annexes
destinés à leur donner des caractéristiques se rapprochant de l’amplificateur idéal :
-protection des entrées contre les surtensions
-protection de la sortie contre les courts-circuits
-augmentation de l’impédance d’entrée
-compensation en fréquence
-réglage de la tension d’offset
b) Symboles et raccordements :
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Les raccordements à réaliser sur un amplificateur opérationnel sont :
l’alimentation :
la plupart du temps elle sera symétrique +/- Vcc , +/- 15V
les entrées :
entrée + : qui donne un signal de sortie en phase avec
celui de l’entrée +
entrée - : qui donne un signal de sortie en opposition de
phase avec celui de l’entrée la sortie :
qui recevra la charge d’utilisation , cette charge sera
connectée par rapport à la masse , de façon à être
parcourue par un courant soit positif soit négatif .
la compensation en fréquence : intégrée sur certains circuits
le réglage de la tension d’offset
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3°) Caractéristiques de l’amplificateur idéal :
Un amplificateur opérationnel idéal devrait avoir les caractéristiques suivantes :
Gain infini :
e = U1-U2 : c’est la tension effective appliquée à l’amplificateur.
Par définition , le gain A de l’amplificateur est donné par le rapport US/e
Pour que l’amplificateur fonctionne dans sa zone linéaire , il faut que la tension de sortie
US soit finie : comme le gain A est infini , la tension e doit etre nulle .
Impédance d’entrée infinie :
Si l’impédance d’entrée de l’amplificateur est infinie , les courants d’entrée i+ et i- sont
nuls.
L’amplificateur ne consomme aucun courant par ses entrées E- et E+ .
Impédance de sortie nulle
Bande passante infinie
Tension de sortie nulle sans signal d’entrée
Certes , ces caractéristiques ne sont pas atteintes mais elles sont dans la plupart des cas
suffisamment bonnes .
4°) Caractéristiques dynamiques :
Caractéristique de transfert :
c’est la courbe de la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée .
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Pour obtenir un fonctionnement correct de l’amplificateur , il est nécessaire de le faire
travailler exclusivement dans sa zone linéaire de sorte que le rapport US/UE reste constant
quelle que soit la tension d’entrée .
La saturation de l’amplificateur se fait à +/- Vcc en sortie moins une petite tension de
déchet.( ~ 1V )
Réponse en fréquence :
c’est la variation du gain en fonction de la fréquence , le gain diminue quand la fréquence
augmente et on définit la fréquence de coupure comme étant celle pour laquelle le gain
aura la valeur G/ √2
Slew rate :
c’est la vitesse de variation de la tension de sortie correspondant à une réponse , à un
échelon unité , il est exprimé en V/µs .
5°) Caractéristiques statiques :
a) Gain en boucle ouverte :
Go est le gain en l’abscence de tout circuit de contre réaction , Go = Vs / Vd avec Vs =
tension de sortie et Vd = tension différentielle d’entrée .
b) Impédance différentielle d’entrée :
Ze est l’impédance mesurée entre les deux entrées + et - .
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c) Impédance de sortie : Zs , c’est l’impédance de l’amplificateur utilisé en boucle
ouverte
d) Tension de décallage d’entrée : Vd est la tension continue à appliquer entre les entrées
pour que la sortie soit exactement au zéro .
e) Courant de décallage d’entrée : Id est le courant provoqué par la tension de décallage
.
f) Dérives : c’est la variation des caractéristiques en fonction de paramètres extérieurs :
temps , température , tensions d’alimentations
g) Gain en boucle fermée : c’est le gain de l’amplificateur ayant une boucle de contre
réaction négative de la sortie sur l’entrée .
6°) Principaux montages :
a) Montage inverseur :
On suppose que l’amplificateur travaille dans sa zone linéaire , e est alors suffisament
faible pour que le potentiel à l’entrée - puisse etre considéré comme nul .
L’entrée - se comporte comme une masse fictive.
i1 = UE / R1
et
i2 = -US / R2
comme le courant i- est nul alors i1 = i2 ce qui donne UE / R1 = - US / R2
d’ ou
US = ( - R2 / R1 ). UE
Le gain en tension du montage est indépendant de l’amplificateur opérationnel et il est fixé
uniquement par le rapport des résistances R2 / R1 .
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Le signe - matérialise l’inversion de la tension de sortie par rapport à la tension d’entrée .
b) Montage non inverseur :
On suppose que l’amplificateur travaille dans sa zone linéaire , e est alors suffisament
faible pour que le potentiel à l’entrée - soit égal à UE car i+ = 0 donc V+ = UE .
i1 = UE / R1
et
i2 = ( US - UE ) / R2
comme le courant i- est nul alors i1 = i2 ce qui donne UE / R1 = ( US - UE ) / R2
d’ou
US = ( 1 + R2 / R1 ).UE
La tension de sortie et la tension d’entrée sont de même signe et le gain du montage est
toujours supérieur à 1 quelles que soient les résistances .
c) Utilisation d’un diviseur de tension sur l’entrée + :
La tension appliquée sur l’entrée + est égale à UE.( R4 / R4 + R3 )
La tension de sortie sera donc US = [ UE.( R4 / R4 + R3 ) ].( 1 + R2 / R1 )
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cas particulier : si R1 = R2 = R3 = R4 alors US = UE , La sortie reproduit la tension
d’entrée .
d) Montage additionneur :
On suppose que l’amplificateur travaille dans sa zone linéaire , e est alors suffisament
faible pour que le potentiel à l’entrée - puisse etre considéré comme nul . L’entrée - se
comporte comme une masse fictive.
Chaque source V1, V2, V3 débite un courant i1, i2, i3 à travers leur résistance respective .
i1 = V1 / R1
i2 = V2 / R2
i3 = V3 / R3
comme le courant i- est nul alors i1 + i2 +i3 = ic avec ic = -US / Rc
donc V1 / R1 + V2 / R2 + V3 / R3 = -US / Rc
d’ou
US = - [(Rc / R1)V1 + (Rc / R2)V2 + (Rc / R3)V3 ]
Le montage permet d’effectuer l’addition pondérée des 3 tensions V1, V2, V3 , les
facteurs de pondération étant égaux à Rc / R1 , Rc / R2 , Rc / R3 .
Cas particulier : si R1 = R2 = R3 = Rc alors US = - ( V1 + V2 + V3 )
Au signe près , le montage réalise l’addition des tensions présentes à l’entrée .
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e) Amplificateur différentiel :
En utilisant le théorème de superposition on obtient :
Par rapport à U1 : US1 = ( - R2 / R1 ).U1
Par rapport à U2 : US2 = [ U2.( R4 / R4 + R3 ) ].( 1 + R2 / R1 )
d’ou US = [ U2.( R4 / R4 + R3 ) ].( 1 + R2 / R1 ) - ( R2 / R1 ).U1
Cas particulier : si R1 = R2 = R3 = Rc alors US = U2 - U1
f) Montage comparateur :
L’amplificateur opérationnel fonctionne en boucle ouverte , le gain apporté par celui-ci est
donc proche de l’infini , il fonctionne en commutation .
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La tension de sortie ne peut prendre que deux valeurs : +/- Vcc selon le signe de la
différence entre V+ et V- .
Vref est une tension de référence que l’on peut connecter aussi bien sur l’entrée + que sur
l’entrée - de l’amplificateur .
UE est une tension variable que l’on va comparer avec la tension de référence .
Si UE est inférieure à Vref alors US = + Vcc
Si UE est supérieure à Vref alors US = - Vcc
Pour éviter une différence de tension trop importante entre les deux entrées , on rajoute
deux diodes en parralèle tete-beche de telle façon à ce que cette différence n’excède pas
0.7 V .
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