Dans ce tutoriel sur les bases des amplificateurs opérationnels, nous verrons que les Amplificateurs Opérationnels sont des dispositifs linéaires qui possèdent toutes les propriétés requises pour un amplification DC presque idéale. Ils sont largement utilisés dans le conditionnement de signaux, le filtrage ou pour effectuer des opérations mathématiques telles que l’addition, la soustraction, l’intégration et la différenciation.

Un Amplificateur Opérationnel, ou Op-amp pour faire court, est fondamentalement un dispositif d’amplification de tension conçu pour être utilisé avec des composants de rétroaction externes tels que des résistances et des condensateurs entre ses terminaux de sortie et d’entrée.

Ces composants de rétroaction déterminent la fonction ou “opération” résultante de l’amplificateur. En raison des différentes configurations de rétroaction, qu’elles soient résistives, capacitives ou les deux, l’amplificateur peut réaliser une variété d’opérations différentes, donnant ainsi naissance à son nom d’Amplificateur Opérationnel.

Un Amplificateur Opérationnel est essentiellement un dispositif à trois bornes qui consiste en deux entrées à haute impédance. L’une des entrées est appelée l’Entrée Inversée, marquée par un signe négatif ou “moins” ( – ). L’autre entrée est appelée l’Entrée Non-Inversée, marquée par un signe positif ou “plus” ( + ).

Un troisième terminal représente le port de sortie des amplificateurs opérationnels, qui peut absorber et fournir soit une tension, soit un courant. Dans un amplificateur opérationnel linéaire, le signal de sortie est le facteur d’amplification, connu sous le nom de gain de l’amplificateur ( A ), multiplié par la valeur du signal d’entrée. Selon la nature de ces signaux d’entrée et de sortie, il existe quatre classifications différentes de gain d’amplificateur opérationnel.

Classification des Bases des Amplificateurs Opérationnels

• Tension  – Tension “entrée” et Tension “sortie”
• Courant  – Courant “entrée” et Courant “sortie”
• Transconductance  – Tension “entrée” et Courant “sortie”
• Transrésistance  – Courant “entrée” et Tension “sortie”

Étant donné que la plupart des circuits traitant des amplificateurs opérationnels sont des amplificateurs de tension, nous limiterons les tutoriels dans cette section aux amplificateurs de tension uniquement (Vin et Vout).

Le signal de sortie de tension d’un Amplificateur Opérationnel est la différence entre les signaux appliqués à ses deux entrées individuelles. En d’autres termes, le signal de sortie d’un op-amp est la différence entre les deux signaux d’entrée, car l’étage d’entrée d’un Amplificateur Opérationnel est en fait un amplificateur différentiel.

Bases des Amplificateurs Opérationnels – L’Amplificateur Différentiel

Le circuit ci-dessous montre une forme généralisée d’un amplificateur différentiel avec deux entrées marquées V1 et V2. Les deux transistors identiques TR1 et TR2 sont tous deux polarisés au même point de fonctionnement, avec leurs émetteurs connectés ensemble et renvoyés à la voie commune -Vee par le biais de la résistance Re.

Differential Amplifier

Le circuit fonctionne à partir d’une alimentation double +Vcc et -Vee, ce qui assure une alimentation constante. La tension qui apparaît à la sortie, Vout, de l’amplificateur est la différence entre les deux signaux d’entrée, les deux entrées de base étant en anti-phase.

Lorsque le biais direct du transistor TR1 est augmenté, le biais direct du transistor TR2 est réduit, et vice versa. Ensuite, si les deux transistors sont parfaitement appariés, le courant circulant à travers la résistance d’émetteur commun, Re, restera constant.

Comme le signal d’entrée, le signal de sortie est également équilibré et, puisque les tensions de collecteur oscillent soit dans des directions opposées (anti-phase) soit dans la même direction (en phase), le signal de sortie de tension, prélevé entre les deux collecteurs, est, en supposant un circuit parfaitement équilibré, la différence nulle entre les deux tensions de collecteur.

Ceci est connu sous le nom de Mode Commun d’Opération, le gain en mode commun de l’amplificateur étant le gain de sortie lorsque l’entrée est nulle.

Les Amplificateurs Opérationnels ont également une sortie (bien qu’il en existe avec une sortie différentielle supplémentaire) à faible impédance référencée à un terminal de terre commun, et elle devrait ignorer tout signal en mode commun, c’est-à-dire que si un signal identique est appliqué aux entrées inversée et non-inversée, cela ne devrait entraîner aucun changement à la sortie.

Cependant, dans des amplificateurs réels, il existe toujours des variations, et le rapport de changement de tension de sortie par rapport à la variation de la tension d’entrée en mode commun est appelé le Ratio de Rejet de Mode Commun, ou CMRR en abrégé.

Les amplificateurs opérationnels ont par eux-mêmes un gain DC en boucle ouverte très élevé et en appliquant une forme de Rétroaction Négative, nous pouvons produire un circuit d’amplificateur opérationnel qui a une caractéristique de gain très précise dépendant uniquement de la rétroaction utilisée. Notez que le terme “boucle ouverte” signifie qu’aucun composant de rétroaction n’est utilisé autour de l’amplificateur, de sorte que le chemin ou la boucle de rétroaction est ouvert.

Un amplificateur opérationnel ne répond qu’à la différence entre les tensions sur ses deux bornes d’entrée, communément appelée “Tension d’Entrée Différentielle”, et non à leur potentiel commun. Ensuite, si le même potentiel de tension est appliqué aux deux bornes, la sortie résultante sera nulle. Le gain d’un amplificateur opérationnel est couramment désigné comme le Gain Différentiel en Boucle Ouverte et est donné par le symbole (A_o).

Circuit Équivalent d’un Amplificateur Opérationnel Idéal

Paramètres de l’Op-amp et Caractéristique Idéalisée

• Gain en Boucle Ouverte, (Avo)

  • Infini – La fonction principale d’un amplificateur opérationnel est d’amplifier le signal d’entrée, et plus le gain en boucle ouverte est élevé, mieux c’est. Le gain en boucle ouverte est le gain de l’op-amp sans rétroaction positive ou négative, et pour un tel amplificateur, le gain sera infini, mais les valeurs réelles typiques varient d’environ 20 000 à 200 000.

• Impedance d’Entrée, (Z_IN)

  • Infini – L’impédance d’entrée est le rapport entre la tension d’entrée et le courant d’entrée, et elle est supposée être infinie pour empêcher tout courant de circuler depuis la source d’alimentation dans le circuit d’entrée de l’amplificateur ( I_IN = 0 ). Les réels op-amps présentent des courants de fuite d’entrée allant de quelques pico-amps à quelques milli-amps.

• Impedance de Sortie, (Z_OUT)

  • Zéro – L’impédance de sortie d’un amplificateur opérationnel idéal est supposée être zéro, agissant comme une source de tension interne parfaite sans résistance interne, afin de pouvoir fournir le courant nécessaire à la charge. Cette résistance interne est effectivement en série avec la charge, réduisant ainsi la tension de sortie disponible pour la charge. Les réels op-amps ont des impédances de sortie dans la plage de 100 à 20 kΩ.

• Largeur de Bande, (BW)

  • Infinie – Un amplificateur opérationnel idéal a une réponse en fréquence infinie et peut amplifier n’importe quel signal de fréquence allant du DC aux plus hautes fréquences AC, il est donc supposé avoir une largeur de bande infinie. Pour les réels op-amps, la largeur de bande est limitée par le produit Gain-Bande Passante (GB), qui est égal à la fréquence à laquelle le gain de l’amplificateur devient unitaire.

• Tension de Décalage, (V_IO)

  • Zéro – La sortie de l’amplificateur sera nulle lorsque la différence de tension entre les entrées inversée et non-inversée sera nulle, identique, ou lorsque les deux entrées sont mises à la terre. Les réels op-amps ont une certaine quantité de tension de décalage de sortie.

D’après ces caractéristiques “idéalisées” ci-dessus, nous pouvons voir que la résistance d’entrée est infinie, donc aucun courant ne circule dans aucun terminal d’entrée (la “règle de courant”) et que la tension de décalage d’entrée différentielle est nulle (la “règle de tension”). Il est important de garder ces deux propriétés à l’esprit car elles nous aideront à comprendre le fonctionnement de l’Amplificateur Opérationnel en ce qui concerne l’analyse et la conception de circuits op-amp.

Cependant, les réels Amplificateurs Opérationnels, tels que le uA741 couramment disponible, par exemple, n’ont pas un gain ou une largeur de bande infinie, mais ont un “Gain en Boucle Ouverte” typique qui est défini comme l’amplification de sortie de l’amplificateur sans aucun signal de rétroaction externe qui lui est connecté.

Pour un amplificateur opérationnel typique, ce gain en boucle ouverte peut atteindre jusqu’à 100dB à DC (zéro Hz). En général, le gain de sortie d’un op-amp diminue linéairement à mesure que la fréquence augmente jusqu’à atteindre un “Gain Unitaire” ou 1, autour de 1 MHz. Cet effet est illustré dans la courbe de réponse du gain en boucle ouverte suivante.

Bases des Amplificateurs Opérationnels – Réponse en Fréquence en Boucle Ouverte

D’après cette courbe de réponse en fréquence, nous pouvons voir que le produit du gain par rapport à la fréquence est constant à tout point le long de la courbe. Également, la fréquence de gain unitaire (0dB) détermine le gain de l’amplificateur à tout point le long de la courbe. Cette constante est généralement connue sous le nom de Produit Gain-Bande Passante ou GBP. Donc :

GBP = Gain x Bande Passante = A x BW

Par exemple, d’après le graphique ci-dessus, le gain de l’amplificateur à 100kHz est donné comme 20dB ou 10, donc le produit gain-bande passante est calculé comme suit :

GBP = A x BW = 10 x 100,000Hz = 1,000,000.

De même, le gain des amplificateurs opérationnels à 1kHz = 60dB ou 1000, donc le GBP est donné comme :

GBP = A x BW = 1,000 x 1,000Hz = 1,000,000. Le même!.

Le Gain de Tension (A_V) de l’amplificateur opérationnel peut être trouvé à l’aide de la formule suivante :

et en décibels ou (dB) est donné comme :

La Largeur de Bande d’un Amplificateur Opérationnel

La largeur de bande des amplificateurs opérationnels est la plage de fréquences sur laquelle le gain de tension de l’amplificateur est supérieur à 70.7% ou -3dB (où 0dB est le maximum) de sa valeur de sortie maximale telle que montrée ci-dessous.

Ici, nous avons utilisé la ligne 40dB comme exemple. Le point de déclin à -3dB ou 70.7% de Vmax à partir de la courbe de réponse en fréquence est donné comme 37dB. En traçant une ligne jusqu’à ce qu’elle croise la courbe principale du GBP, nous obtenons un point de fréquence juste au-dessus de la ligne de 10kHz, à environ 12 à 15kHz. Nous pouvons maintenant calculer ce point plus précisément car nous connaissons déjà le GBP de l’amplificateur, dans ce cas particulier, 1MHz.

Exemple d’Amplificateur Opérationnel No1.

En utilisant la formule 20 log (A), nous pouvons calculer la largeur de bande de l’amplificateur comme suit :

37 = 20 log (A)   donc, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70.8

GBP ÷ A = Largeur de Bande,  donc, 1,000,000 ÷ 70.8 = 14,124Hz, ou 14kHz

La largeur de bande de l’amplificateur à un gain de 40dB est donc donnée comme 14kHz, comme précédemment prédit à partir du graphique.

Exemple d’Amplificateur Opérationnel No2.

Si le gain de l’amplificateur opérationnel était réduit de moitié pour atteindre disons 20dB dans la courbe de réponse en fréquence ci-dessus, le point -3dB serait maintenant à 17dB. Cela donnerait alors à l’amplificateur opérationnel un gain global de 7.08, donc A = 7.08.

Si nous utilisons la même formule que ci-dessus, ce nouveau gain nous donnerait une largeur de bande d’environ 141.2kHz, dix fois plus que la fréquence donnée au point de 40dB. Il peut donc être vu qu’en réduisant le “gain en boucle ouverte” global d’un amplificateur opérationnel, sa largeur de bande est augmentée et vice versa.

En d’autres termes, la largeur de bande d’un amplificateur opérationnel est inversement proportionnelle à son gain, ( A 1/∞ BW ). Ce point de fréquence critique -3dB est également généralement connu comme le “point de puissance moitié”, car la puissance de sortie de l’amplificateur est à la moitié de sa valeur maximale, comme montré :

Résumé des Amplificateurs Opérationnels

Nous savons maintenant qu’un Amplificateur Opérationnel est un amplificateur différentiel DC à très haut gain qui utilise un ou plusieurs réseaux de rétroaction externes pour contrôler sa réponse et ses caractéristiques. Nous pouvons connecter des résistances ou des condensateurs externes à l’op-amp de plusieurs manières différentes pour former des circuits de “construction de blocs” de base tels que, circuits d’inversion, non-inversion, suiveur de tension, sommation, différentiels, intégrateurs et différenciateurs.

Symbole Op-amp

Un amplificateur opérationnel “idéal” ou parfait est un dispositif avec certaines caractéristiques spéciales telles qu’un gain en boucle ouverte infini A_O, une résistance d’entrée infinie R_IN, une résistance de sortie nulle R_OUT, une largeur de bande infinie 0 à ∞ et un décalage de zéro (la sortie est exactement zéro lorsque l’entrée est zéro).

Il existe un très grand nombre d’IC d’amplificateurs opérationnels disponibles pour convenir à chaque application possible, des bipolar standard, précision, haute vitesse, faible bruit, haute tension, etc., dans une configuration standard ou avec des transistors JFET internes.

Les amplificateurs opérationnels sont disponibles dans des packages IC de simples, doubles ou quadripôles dans un seul dispositif. Le plus couramment disponible et utilisé de tous les amplificateurs opérationnels dans les kits et projets électroniques de base est le standard industriel μA-741. Apprenez-en plus sur les bases des amplificateurs opérationnels et les différents types de configurations de circuits que vous pouvez construire en utilisant le μA-741.

Dans le prochain tutoriel sur les bases des Amplificateurs Opérationnels, nous utiliserons une rétroaction négative connectée autour de l’op-amp pour produire un circuit d’amplificateur en boucle fermée standard appelé un circuit d’amplificateur inversé qui produit un signal de sortie décalé de 180^o.