L’amplificateur opérationnel inversé est essentiellement un amplificateur à gain constant ou fixe produisant une tension de sortie négative car son gain est toujours négatif.

Nous avons vu dans le dernier tutoriel que le Gain en Boucle Ouverte, ( A_VO ) d’un amplificateur opérationnel peut être très élevé, jusqu’à 1 000 000 (120 dB) ou plus.

Cependant, ce gain très élevé ne nous est d’aucune utilité réelle car il rend l’amplificateur tant instable que difficile à contrôler. La plus petite des signaux d’entrée, juste quelques microvolts (μV), serait suffisante pour entraîner la saturation de la tension de sortie et osciller vers un pôle d’alimentation, perdant ainsi tout contrôle de la sortie.

Comme le gain continu en boucle ouverte d’un amplificateur opérationnel est extrêmement élevé, nous pouvons donc nous permettre de perdre une partie de ce gain élevé en connectant une résistance appropriée à l’amplificateur, depuis la borne de sortie jusqu’à la borne d’entrée inversée, afin de réduire et contrôler le gain global de l’amplificateur. Cela produit un effet connu communément sous le nom de Rétroaction Négative, et produit ainsi un système d’amplificateur opérationnel très stable.

La rétroaction négative est le processus de “rétro-alimenter” une fraction du signal de sortie vers l’entrée, mais pour rendre la rétroaction négative, nous devons la renvoyer à la borne d’entrée négative ou “d’entrée inversée” de l’amplificateur opérationnel en utilisant une Résistance de Rétroaction appelée Rƒ. Cette connexion de rétroaction entre la sortie et la borne d’entrée inversée force la tension d’entrée différentielle vers zéro.

Cet effet produit un circuit en boucle fermée à l’amplificateur, ce qui fait que le gain de l’amplificateur est désormais appelé son Gain en Boucle Fermée. Ensuite, un amplificateur inversé en boucle fermée utilise la rétroaction négative pour contrôler avec précision le gain global de l’amplificateur, mais au prix d’une réduction du gain de l’amplificateur.

Cette rétroaction négative entraîne une tension de signal différente sur la borne d’entrée inversée par rapport à la tension d’entrée réelle, car elle sera la somme de la tension d’entrée plus la tension de rétroaction négative, lui donnant l’étiquette ou le terme de Point de Somme. Nous devons donc séparer le véritable signal d’entrée de l’entrée inversée en utilisant une Résistance d’Entrée, Rin.

Comme nous n’utilisons pas l’entrée non-inversée positive, celle-ci est connectée à une terre commune ou à une borne de tension zéro comme indiqué ci-dessous. Cependant, l’effet de ce circuit de rétroaction en boucle fermée entraîne la tension potentielle à l’entrée inversée étant égale à celle à l’entrée non-inversée, produisant ainsi un point de somme à Terre Virtuelle, car il sera à la même potentielle que l’entrée de référence mise à la terre. En d’autres termes, l’amplificateur opérationnel devient un “amplificateur différentiel”.

Configuration de l’Amplificateur Opérationnel Inversé

Dans ce circuit d’Amplificateur Inversé, l’amplificateur opérationnel est connecté avec rétroaction pour produire une opération en boucle fermée. En ce qui concerne les amplificateurs opérationnels, il y a deux règles très importantes à retenir concernant les amplificateurs inversés, à savoir : “Aucun courant ne circule dans la borne d’entrée” et que “V1 est toujours égal à V2”. Cependant, dans les circuits réels d’amplificateurs opérationnels, ces règles sont légèrement contredites.

Cela est dû au fait que la jonction du signal d’entrée et du signal de rétroaction ( X ) est au même potentiel que l’entrée positive ( + ) qui est à zéro volts ou à la terre, donc la jonction est une “Terre Virtuelle”. En raison de ce nœud à terre virtuelle, la résistance d’entrée de l’amplificateur est égale à la valeur de la résistance d’entrée, Rin, et le gain en boucle fermée de l’amplificateur inversé peut être défini par le rapport des deux résistances externes.

Nous avons dit ci-dessus qu’il y a deux règles très importantes à retenir concernant les Amplificateurs Inversés ou tout amplificateur opérationnel d’ailleurs, et celles-ci sont :

• Aucun Courant Ne Circulent Dans les Bornes d’Entrée
• La Tension d’Entrée Différentielle est Nulle car V1 = V2 = 0 (Terre Virtuelle)

Ainsi, en utilisant ces deux règles, nous pouvons dériver l’équation pour calculer le gain en boucle fermée d’un amplificateur inversé en utilisant les principes fondamentaux.

Le courant ( i ) circule à travers le réseau de résistances comme illustré.

Ensuite, le Gain de Tension en Boucle Fermée d’un Amplificateur Inversé est donné comme suit :

et cela peut être transposé pour donner Vout comme :

Sortie Linéaire

Le signe négatif dans l’équation indique une inversion du signal de sortie par rapport à l’entrée, car il est déphasé de 180^o. Cela est dû à la rétroaction ayant une valeur négative.

L’équation pour la tension de sortie Vout montre également que le circuit est de nature linéaire pour un gain d’amplificateur fixe, car Vout = Vin x Gain. Cette propriété peut être très utile pour convertir un signal capteur plus petit en une tension beaucoup plus grande.

Une autre application utile d’un amplificateur inversé est celle d’un circuit “amplificateur de transimpédance”. Un Amplificateur de Transimpédance, également connu sous le nom d’“amplificateur de trans-résistance”, est essentiellement un convertisseur courant-tension (Courant “entrant” et Tension “sortante”). Ils peuvent être utilisés dans des applications basse puissance pour convertir un courant très faible généré par une photodiode ou un dispositif de détection de lumière, etc., en une tension de sortie utilisable qui est proportionnelle au courant d’entrée comme montré.

Circuit de l’Amplificateur de Transimpédance

Le circuit simple activé par la lumière ci-dessus convertit un courant généré par la photodiode en tension. La résistance de rétroaction Rƒ fixe le point de tension de fonctionnement à l’entrée inversée et contrôle le montant de la sortie. La tension de sortie est donnée par Vout = I_s x Rƒ. Par conséquent, la tension de sortie est proportionnelle au montant du courant d’entrée généré par la photodiode.

Exemple d’Amplificateur Opérationnel Inversé n°1

Trouvez le gain en boucle fermée du circuit amplificateur inversé suivant.

En utilisant la formule précédemment trouvée pour le gain du circuit

nous pouvons maintenant substituer les valeurs des résistances dans le circuit comme suit,

Rin = 10kΩ  et  Rƒ = 100kΩ

et le gain du circuit est calculé comme suit : -Rƒ/Rin = 100k/10k = -10

Par conséquent, le gain en boucle fermée du circuit amplificateur inversé ci-dessus est donné par -10 ou 20dB (20log(10)).

Exemple d’Amplificateur Opérationnel Inversé n°2

Le gain du circuit d’origine doit être augmenté à 40 (32 dB), trouvez les nouvelles valeurs des résistances requises.

En supposant que la résistance d’entrée doit rester à la même valeur de 10KΩ, alors en réarrangeant la formule du gain de tension en boucle fermée, nous pouvons trouver la nouvelle valeur requise pour la résistance de rétroaction Rƒ.

   Gain = Rƒ/Rin

donc,   Rƒ = Gain x Rin

   Rƒ = 40 x 10 000

   Rƒ = 400 000 ou 400KΩ

Les nouvelles valeurs de résistances requises pour que le circuit ait un gain de 40 seraient :

 Rin = 10KΩ  et  Rƒ = 400KΩ

La formule pourrait également être réarrangée pour donner une nouvelle valeur de Rin, en gardant la même valeur de Rƒ.

Un dernier point à noter concernant la configuration de l’amplificateur inversé pour un amplificateur opérationnel, si les deux résistances sont de valeur égale, Rin = Rƒ  alors le gain de l’amplificateur sera -1 produisant une forme complémentaire de la tension d’entrée à sa sortie, comme Vout = -Vin. Ce type de configuration d’amplificateur inversé est généralement appelée Inverseur à Gain Unitaire ou simplement un Tampon Inversé.

Dans le prochain tutoriel sur les Amplificateurs Opérationnels, nous analyserons le complément du circuit amplificateur opérationnel Inversé, appelé l’Amplificateur Non inversé qui produit un signal de sortie “en phase” avec l’entrée.