L’Amplificateur Opérationnel ou Op-amp en abrégé, est un dispositif très polyvalent qui peut être utilisé dans une variété de circuits électroniques et d’applications, allant des amplificateurs de tension, aux filtres, en passant par les conditionneurs de signal. Mais un circuit très simple et extrêmement utile basé sur un amplificateur opérationnel à usage général est le Multivibrateur Astable à Op-amp.

Nous avons vu dans nos tutoriels sur la logique séquentielle que des circuits multivibrateurs peuvent être construits à l’aide de transistors, de portes logiques ou de circuits intégrés dédiés comme le timer NE555. Nous avons également vu que le multivibrateur astable commute de manière continue entre ses deux états instables sans avoir besoin d’un déclenchement externe.

Cependant, le problème avec l’utilisation de ces composants pour produire un circuit multivibrateur astable est que pour des astables basés sur des transistors, de nombreux composants supplémentaires sont nécessaires, les astables numériques ne peuvent généralement être utilisés que dans des circuits numériques, et l’utilisation d’un timer 555 peut ne pas toujours nous donner une sortie symétrique sans composants de polarisation supplémentaires. En revanche, le circuit Multivibrateur à Op-amp peut nous fournir un bon signal d’onde rectangulaire avec l’utilisation de seulement quatre composants, trois résistances et un condensateur de temporisation.

Le Multivibrateur à Op-amp est un circuit oscillateur astable qui génère une forme d’onde rectangulaire de sortie en utilisant un réseau de temporisation RC connecté à l’entrée inversante de l’amplificateur opérationnel et un réseau de diviseur de tension connecté à l’autre entrée non inversante.

Contrairement au monostable ou bistable, le multivibrateur astable a deux états, aucun des deux n’étant stable, car il change constamment entre ces deux états, le temps passé dans chaque état étant contrôlé par la charge ou la décharge du condensateur à travers une résistance.

Dans le circuit multivibrateur à op-amp, l’op-amp fonctionne comme un comparateur analogique. Un comparateur à op-amp compare les tensions sur ses deux entrées et fournit une sortie positive ou négative en fonction de si l’entrée est supérieure ou inférieure à une certaine valeur de référence, V_REF.

Cependant, en raison de la sensibilité du comparateur à op-amp en boucle ouverte aux variations de tension sur ses entrées, la sortie peut commuter de manière incontrôlable entre ses rails de tension d’alimentation positif, +V(sat) et négatif, -V(sat) chaque fois que la tension mesurée est proche de la tension de référence, V_REF.

Pour éliminer toute opération de commutation erratique ou incontrôlée, l’op-amp utilisé dans le circuit multivibrateur est configuré comme un circuit de Schmitt Trigger en boucle fermée. Considérons le circuit ci-dessous.

Comparateur Schmitt Op-amp

Le circuit comparateur à op-amp ci-dessus est configuré comme un déclencheur Schmitt qui utilise une rétroaction positive fournie par les résistances R1 et R2 pour générer de l’hystérésis. Comme ce réseau résistif est connecté entre la sortie de l’amplificateur et l’entrée non inversante (+), lorsque Vout est saturé au rail d’alimentation positif, une tension positive est appliquée à l’entrée non inversante de l’op-amp. De même, lorsque Vout est saturé au rail d’alimentation négatif, une tension négative est appliquée à l’entrée non inversante de l’op-amp.

Comme les deux résistances sont configurées à la sortie de l’op-amp comme un réseau de diviseur de tension, la tension de référence, Vref dépendra donc de la fraction de tension de sortie renvoyée à l’entrée non inversante. Cette fraction de rétroaction, β est donnée par :

Où +V(sat) est la tension de saturation positive de l’op-amp et -V(sat) est la tension de saturation négative de l’op-amp.

Nous pouvons alors voir que la tension de référence positive ou supérieure, +Vref (c’est-à-dire la valeur positive maximale de la tension à l’entrée inversante) est donnée par : +Vref = +V(sat)β, tandis que la tension de référence négative ou inférieure (c’est-à-dire la valeur négative maximale de la tension à l’entrée inversante) est donnée par : -Vref = -V(sat)β.

Donc, si Vin dépasse +Vref, l’op-amp commutera l’état et la tension de sortie tombe à sa tension de saturation DC négative. De même, lorsque la tension d’entrée tombe en dessous de -Vref, l’op-amp change encore d’état et la tension de sortie passera de la tension de saturation négative à la tension de saturation DC positive. Le montant d’hystérésis intégré donné par le comparateur Schmitt lors du passage entre les deux tensions de saturation est défini par la différence entre les deux tensions de référence de déclenchement comme suit : V_HYSTERESIS = +Vref – (-Vref).

Conversion Sinusoidale en Rectangulaire

Une des nombreuses utilisations d’un comparateur à déclencheur Schmitt, autre qu’en tant que multivibrateur à op-amp, est que nous pouvons l’utiliser pour convertir toute forme d’onde sinusoïdale périodique en une forme d’onde rectangulaire, à condition que la valeur de la sinusoïde soit supérieure à le point de référence de tension.

En fait, le comparateur Schmitt produira toujours une forme de sortie rectangulaire, indépendamment de la forme du signal d’entrée. En d’autres termes, l’entrée de tension n’a pas besoin d’être une sinusoïde, elle peut être n’importe quelle forme d’onde ou forme d’onde complexe. Considérons le circuit ci-dessous.

Convertisseur Sinusoidal en Rectangulaire

Comme la forme d’onde d’entrée sera périodique et aura une amplitude suffisamment supérieure à sa tension de référence, Vref, la forme d’onde rectangulaire de sortie aura toujours la même période, T et donc la même fréquence, ƒ, que la forme d’onde d’entrée.

En remplaçant soit la résistance R1 ou la résistance R2 par un potentiomètre, nous pourrions ajuster la fraction de rétroaction, β et donc la valeur de la tension de référence à l’entrée non inversante pour amener l’op-amp à changer d’état n’importe où de zéro à 90^o dans chaque demi-cycle tant que la tension de référence, Vref restait en dessous de l’amplitude maximale du signal d’entrée.

Multivibrateur à Op-amp

Nous pouvons aller un peu plus loin dans cette idée de conversion d’une forme d’onde périodique en une sortie rectangulaire en remplaçant l’entrée sinusoïdale par un circuit de temporisation RC connecté à la sortie des op-amps. Cette fois, au lieu d’utiliser une forme d’onde sinusoïdale pour déclencher l’op-amp, nous pouvons utiliser la tension de charge du condensateur, Vc, pour changer l’état de sortie de l’op-amp comme montré.

Circuit Multivibrateur à Op-amp

Alors, comment cela fonctionne-t-il ? Supposons tout d’abord que le condensateur soit complètement déchargé et que la sortie de l’op-amp soit saturée au rail d’alimentation positif. Le condensateur, C commence à se charger à partir de la tension de sortie, Vout à travers la résistance, R à un rythme déterminé par leur constante de temps RC.

Nous savons grâce à nos tutoriels sur les circuits RC que le condensateur veut se charger complètement jusqu’à la valeur de Vout (qui est +V(sat)) au cours de cinq constantes de temps. Cependant, dès que la tension de charge du condensateur à la borne inversante (-) de l’op-amp est égale ou supérieure à la tension à la borne non inversante (la fraction de tension de sortie de l’op-amp divisée entre les résistances R1 et R2), la sortie changera d’état et sera poussée vers le rail d’alimentation négatif opposé.

Mais maintenant, le condensateur, qui se chargeait joyeusement vers le rail d’alimentation positif (+V(sat)), voit une tension négative, -V(sat), entre ses plaques. Cette réversion soudaine de la tension de sortie oblige le condensateur à se décharger vers la nouvelle valeur de Vout à un rythme dicté à nouveau par leur constante de temps RC.

Tensions du Multivibrateur à Op-amp

Une fois que la borne inversante de l’op-amp atteint la nouvelle tension de référence négative, -Vref à la borne non inversante, l’op-amp change de nouveau d’état et la sortie est poussée vers la tension d’alimentation négative opposée, +V(sat). Le condensateur voit maintenant une tension positive entre ses plaques et le cycle de charge recommence. Ainsi, le condensateur se charge et se décharge constamment, créant une sortie de multivibrateur astable à op-amp.

La période de la forme d’onde de sortie est déterminée par la constante de temps RC des deux composants de temporisation et le rapport de rétroaction établi par le réseau de diviseur de tension R1, R2 qui définit le niveau de tension de référence. Si les valeurs positives et négatives de la tension de saturation de l’amplificateur ont la même magnitude, alors t1 = t2 et l’expression pour donner la période d’oscillation devient :

Où : R est la résistance, C est la capacité, ln( ) est le logarithme népérien de la fraction de rétroaction, T est le temps périodique en secondes, et ƒ est la fréquence d’oscillation en Hz.

Nous pouvons alors voir à partir de l’équation ci-dessus que la fréquence d’oscillation pour un circuit Multivibrateur à Op-amp dépend non seulement de la constante de temps RC, mais également de la fraction de rétroaction. Cependant, si nous utilisons des valeurs de résistance qui donnent une fraction de rétroaction de 0.462, (β = 0.462), alors la fréquence d’oscillation du circuit serait égale à juste 1/2RC comme indiqué, car le terme logarithmique linéaire devient égal à un.

Exemple de Multivibrateur à Op-amp N°1

Un circuit multivibrateur à op-amp est construit en utilisant les composants suivants. R1 = 35kΩ, R2 = 30kΩ, R = 50kΩ et C = 0.01uF. Calculez la fréquence d’oscillation des circuits.

Alors la fréquence d’oscillation est calculée comme 1kHz. Lorsque β = 0.462, cette fréquence peut être calculée directement comme : ƒ = 1/2RC. Également lorsque les deux résistances de rétroaction sont les mêmes, c’est-à-dire R1 = R2, la fraction de rétroaction est égale à 3 et la fréquence d’oscillation devient : ƒ = 1/2.2RC.

Nous pouvons aller un peu plus loin avec ce circuit multivibrateur à op-amp en remplaçant l’une des résistances de rétroaction par un potentiomètre pour produire un multivibrateur à op-amp à fréquence variable comme montré.

Multivibrateur à Op-amp Variable

En ajustant le potentiomètre central entre β1 et β2, la fréquence de sortie changera des montants suivants.

Balayage du potentiomètre à la position β1

Balayage du potentiomètre à la position β2

Ainsi, dans cet exemple simple, nous pouvons produire un circuit multivibrateur à amplificateur opérationnel capable de produire une forme d’onde rectangulaire de sortie variable ajustable d’environ 100Hz à 1.2kHz, ou toute plage de fréquence requise simplement en changeant les valeurs des composants RC.

Nous avons vu dans ce tutoriel sur le multivibrateur à op-amp qu’un circuit multivibrateur astable peut être construit en utilisant un amplificateur opérationnel standard, tel que le 741, ainsi que quelques composants supplémentaires.

Ces oscillateurs de relaxation non sinusoïdaux contrôlés par tension sont généralement limités à quelques centaines de kilo-hertz (kHz) car l’op-amp n’a pas la bande passante requise, mais néanmoins ils font d’excellents oscillateurs.