amplificateur opérationnel

Qu’est-ce qu’un amplificateur opérationnel ?

Un amplificateur opérationnel est un circuit intégré avec deux bornes d’entrée et une borne de sortie. Il peut amplifier un signal électrique à l’entrée et le restituer.

En concevant les éléments du circuit à connecter, ils peuvent non seulement amplifier, mais aussi fournir des fonctions arithmétiques telles que l’addition, la soustraction et l’intégration temporelle des tensions d’entrée.

Les circuits d’amplification analogiques utilisant ces caractéristiques sont aujourd’hui largement répandus.

Utilisations des amplificateurs opérationnels

On connaît une grande variété de circuits les utilisant, dont les plus courants sont énumérés ci-dessous.

• Les amplificateurs de capteurs
• Les circuits suiveurs de tension
• Les circuits d’amplification différentielle
• Les circuits d’amplification additive
• Les circuits intégraux
• Les circuits de différenciation
• Les circuits de détection linéaire
• Les circuits d’amplification logarithmique
• Les circuits d’oscillateurs de phase
• Les filtres actifs

1. Amplificateurs de capteurs

Ils sont utilisés dans le domaine des amplificateurs de capteurs pour amplifier divers micro-signaux provenant de microphones, de capteurs optiques et de capteurs de pression, jusqu’à un niveau de signal pouvant être traité par un convertisseur A/N. Pour éviter les effets du bruit, on utilise une configuration d’amplificateur différentiel ou un filtre passe-bande. Ces derniers permettent d’éliminer le bruit en dehors de la bande de fréquence du signal, etc. 

2. Suiveur de tension

Les amplificateurs opérationnels sont également utilisés comme suiveurs de tension. Les sources de signaux à haute impédance sont sensibles au bruit et la longueur des câbles ne peut être augmentée. L’utilisation de ces amplificateurs permet ainsi d’utiliser des câbles plus longs et de réduire l’effet du bruit.

Principe des amplificateurs opérationnels

Ils sont est constitués de deux bornes d’entrée et d’une borne de sortie et présente les caractéristiques idéales suivantes :

• Gain en boucle ouverte : infini
• Courant d’entrée : 0A
• Impédance de sortie : 0Ω

Dans la pratique, le gain en boucle ouverte est supérieur à 90dB, le courant d’entrée est de quelques nA à 1µA et l’impédance de sortie est de 0.1Ω à plusieurs Ω. En principe, on peut supposer ce qui précède.

Les deux bornes d’entrée de l’amplificateurs opérationnels ont également les fonctions suivantes :

• La borne d’entrée d’inversion
  Il s’agit d’une borne où la phase du signal d’entrée est inversée de 180° et sortie, indiquée par un “-” dans le symbole du circuit.
• La borne d’entrée non inversée
  Cette borne produit une sortie en phase avec le signal d’entrée et est indiquée par un “+” dans le symbole du circuit.

Types d’amplificateurs opérationnels

Ils peuvent être classés en termes d'”élément”, de “configuration de l’alimentation” et de “caractéristiques”.

1. Classification par élément

Il existe trois types d’amplificateurs opérationnels en fonction des éléments qui composent le circuit.

• Les amplificateurs opérationnels constitués uniquement de transistors bipolaires
  Ce sont des amplificateurs opérationnels généraux, dont il existe de nombreux types allant des plus performants avec d’excellentes caractéristiques aux plus généralistes.
• Les amplificateurs opérationnels utilisant des FET comme bornes d’entrée
  Bien que fondamentalement composé de transistors bipolaires, le premier étage du circuit d’entrée est un suiveur de source de type différentiel utilisant des J-FET. Cela permet d’obtenir une impédance d’entrée élevée et des caractéristiques de vitesse de balayage importantes.
• Les amplificateurs opérationnels construits en CMOS
  Bien que la tension de maintien soit relativement faible, le courant de polarisation d’entrée est à un niveau extrêmement bas et la consommation de courant est faible. Un autre avantage est la large plage dynamique d’entrée/sortie et la capacité de traiter des signaux de grande amplitude. Cependant, ils ne peuvent pas traiter les signaux à haute fréquence.

2. Classification selon la configuration de l’alimentation

Les amplificateurs opérationnels peuvent être classés dans les deux types suivants en fonction de la configuration de l’alimentation utilisée pour les faire fonctionner.

• Le type à double alimentation
  Ce sont des amplificateurs opérationnels qui nécessitent des tensions d’alimentation positives et négatives par rapport au niveau de la terre.
• Le type à alimentation unique
  Ce sont des amplificateurs opérationnels qui fonctionnent uniquement avec une tension d’alimentation positive ou négative.

3. Classification par caractéristiques

Les amplificateurs opérationnels sont fournis avec différentes caractéristiques, les plus importantes dépendant de l’utilisation. Voici quelques exemples de ces dispositifs, qui doivent être sélectionnés de manière appropriée en fonction des spécifications requises.

• La large bande passante
• Le faible bruit
• La haute précision
• Le fonctionnement rail à rail
• Le faible courant de polarisation
• La faible consommation de courant
• Le courant de sortie élevé

Comment utiliser les amplificateurs opérationnels ?

Les amplificateurs opérationnels présentent des facteurs d’erreur spécifiques aux circuits analogiques. De plus, les écarts par rapport aux caractéristiques idéales décrites dans la section “Principes des amplificateurs Opérationnels” peuvent avoir un effet néfaste sur le fonctionnement du circuit. Des mesures spécifiques telles que celles ci-dessous doivent donc être prises pour les éviter.

• L’alimentation fournie à l’amplificateur opérationnel doit délivrer une tension stable avec un faible niveau de bruit.
• Des condensateurs absorbant le bruit doivent être montés près des bornes de l’alimentation.
• Se tenir à distance des circuits de traitement numérique ou les placer dans un boîtier blindé.
• Installez-le dans un environnement où les fluctuations de température sont minimes.
• Si des caractéristiques précises d’amplification et de fréquence sont requises, concevoir l’appareil en fonction de la précision des éléments du circuit de rétroaction et des caractéristiques de température.

Les autres précautions suivantes doivent également être prises, mais pour les mesures individuelles, se référer à la documentation fournie par le fabricant de l’amplificateur opérationnel.

• L’annulation de la tension d’offset
• La prévention des signaux sortants
• La garantie de la plage dynamique
• La suppression des effets du courant de polarisation
• La garantie de la capacité d’alimentation en courant
• La protection contre les signaux d’entrée excessifs

Autres informations sur les amplificateurs opérationnels

Principe de base des circuits d’amplification

Les amplificateurs opérationnels ont un gain en boucle ouverte extrêmement élevé. Par conséquent, les différentes fonctions décrites dans la section précédente peuvent être réalisées en réglant de manière appropriée le circuit de rétroaction entre les bornes de sortie et les bornes d’entrée. Les deux circuits d’amplification de base suivants, utilisant ces amplificateurs opérationnels, sont expliqués ici à titre d’exemples concrets.

1. L’amplificateur inverseur
Le signal Vi est connecté à la borne d’entrée inverseuse via une résistance Ri. La borne d’entrée inverseuse et la borne de sortie sont ensuite connectées par une résistance Rf. La borne d’entrée non inverseuse est reliée directement à la terre. Le signal de sortie Vo obtenu avec cette configuration est (-Rf/Ri) × Vi.” -” indique que la phase est inversée.

2. L’amplificateur non inverseur
Le signal Vi est directement connecté à la borne d’entrée non inverseuse. La borne d’entrée inverseuse est reliée à la terre par Ri et à la borne de sortie par Rf. Le signal de sortie Vo obtenu dans cette configuration est (Rf/Ri) × Vi.