Dans la configuration d’un amplificateur opérationnel non-inversant, le signal de tension d’entrée, ( V_IN ), est appliqué directement à la borne d’entrée non-inversante ( + ), ce qui signifie que le gain de sortie de l’amplificateur devient de valeur « Positive » contrairement au circuit d’« Amplificateur Inversant » que nous avons vu dans le dernier tutoriel, dont le gain de sortie est de valeur négative. Le résultat est que le signal de sortie est « en phase » avec le signal d’entrée.

Le contrôle de rétroaction de l’amplificateur opérationnel non-inversant est réalisé en appliquant une petite partie du signal de tension de sortie à la borne d’entrée inversante ( – ) via un réseau diviseur de tension Rƒ – R2, produisant de nouveau une rétroaction négative. Cette configuration en boucle fermée produit un circuit amplificateur non-inversant d’une très bonne stabilité, une très haute impédance d’entrée, Rin approchant l’infini, car aucun courant ne circule vers la borne d’entrée positive (conditions idéales) et une faible impédance de sortie, Rout comme montré ci-dessous.

Configuration de l’Amplificateur Opérationnel Non-Inversant

Dans le précédent tutoriel sur l’amplificateur inversant, nous avons dit que pour un amplificateur opérationnel idéal, « Aucun courant ne circule vers la borne d’entrée » de l’amplificateur et que « V1 est toujours égal à V2 ». Cela était dû au fait que le point de jonction entre le signal d’entrée et la rétroaction ( V1 ) est au même potentiel.

En d’autres termes, le point de jonction est un « point de terre virtuel ». Grâce à ce nœud de terre virtuel, les résistances Rƒ et R2 forment un simple réseau diviseur de potentiel à travers l’amplificateur non-inversant, le gain de tension du circuit étant déterminé par les ratios de R2 et Rƒ comme montré ci-dessous.

Réseau Diviseur de Potentiel Équivalent

Ensuite, en utilisant la formule pour calculer la tension de sortie d’un réseau diviseur de potentiel, nous pouvons calculer le gain de tension en boucle fermée ( A_V ) de lAmplificateur Non-Inversant comme suit :

Gain de l’Amplificateur Opérationnel Non-Inversant

Alors le gain de tension en boucle fermée d’un Amplificateur Opérationnel Non-Inversant sera donné comme :

Nous pouvons voir dans l’équation ci-dessus que le gain global en boucle fermée d’un amplificateur non-inversant sera toujours supérieur mais jamais inférieur à un (unité), il est de nature positive et est déterminé par le ratio des valeurs de Rƒ et R2.

Si la valeur de la résistance de rétroaction Rƒ est zéro, le gain de l’amplificateur sera exactement égal à un (unité). Si la résistance R2 est zéro, le gain approchera l’infini, mais en pratique, il sera limité au gain différentiel en boucle ouverte des amplificateurs opérationnels, ( A_O ).

Nous pouvons facilement convertir une configuration d’amplificateur opérationnel inversant en une configuration d’amplificateur non-inversant en changeant simplement les connexions d’entrée comme montré.

Suiveur de Tension (Tampon à Gain Unitaire)

Si nous rendons la résistance de retour Rƒ égale à zéro, (Rƒ = 0), et la résistance R2 égale à l’infini, (R2 = ∞), alors le circuit résultant aurait un gain fixe de « 1 » (unité) car toute la tension de sortie est renvoyée à la borne d’entrée inversante (rétroaction négative). Cette configuration produirait un type spécial de circuit amplificateur non-inversant appelé Suiveur de Tension, aussi connu sous le nom de « tampon à gain unitaire ».

Comme le signal d’entrée est connecté directement à l’entrée non-inversante de l’amplificateur, le signal de sortie n’est pas inversé, rendant ainsi la tension de sortie égale à la tension d’entrée, donc Vout = Vin. Cela rend alors le circuit de suiveur de tension idéal en tant que source de tension constante ou régulateur de tension en raison de ses propriétés d’isolation entre l’entrée et la sortie.

L’avantage de la configuration de suiveur de tension à gain unitaire est qu’elle peut être utilisée lorsque l’adaptation d’impédance ou l’isolation des circuits est plus importante que l’amplification de tension ou de courant, car elle maintient la tension du signal d’entrée à sa borne de sortie. De plus, l’impédance d’entrée du circuit suiveur de tension est extrêmement élevée, généralement supérieure à 1MΩ, car elle est égale à celle de la résistance d’entrée de l’amplificateur opérationnel multipliée par son gain ( Rin x A_O ). L’impédance de sortie des amplificateurs opérationnels est très faible puisque l’on suppose des conditions idéales, donc elle n’est pas affectée par des changements de charge.

Suiveur de Tension Non-Inversant

Dans cette configuration de circuit non-inversant, l’impédance d’entrée Rin a augmenté à l’infini et l’impédance de rétroaction Rƒ a été réduite à zéro. La sortie est reliée directement à l’entrée négative inversante, donc la rétroaction est de 100 % et Vin est exactement égal à Vout, lui donnant un gain fixe de 1 ou unité. Comme la tension d’entrée Vin est appliquée à l’entrée non-inversante, le gain de tension de l’amplificateur est donc donné par :

Comme aucun courant ne circule vers la borne d’entrée non-inversante, l’impédance d’entrée est infinie (conditions idéales), donc aucun courant ne circulera à travers la boucle de rétroaction. Ainsi, toute valeur de résistance peut être placée dans la boucle de rétroaction sans affecter les caractéristiques du circuit, puisque aucun courant ne passe par celle-ci, ce qui entraîne une chute de tension nulle et donc aucune perte de puissance.

Étant donné que l’impédance d’entrée est extrêmement élevée, le tampon à gain unitaire (suiveur de tension) peut être utilisé pour fournir un gain de puissance important car la puissance supplémentaire provient des rails d’alimentation des amplificateurs opérationnels et traverse la sortie des amplificateurs vers la charge, et non directement de l’entrée. Cependant, dans la plupart des circuits réels de tampon à gain unitaire, il existe des courants de fuite et des capacités parasites, donc une résistance de faible valeur (généralement 1kΩ) est requise dans la boucle de rétroaction pour aider à réduire les effets de ces courants de fuite, assurant une stabilité, surtout si l’amplificateur opérationnel est de type rétroaction courant.

Le suiveur de tension ou tampon à gain unitaire est un type spécial et très utile de circuit Amplificateur Non-Inversant qui est couramment utilisé en électronique pour isoler les circuits les uns des autres, en particulier dans des filtres actifs à variables d’état de haut ordre ou de type Sallen-Key, pour séparer une étape de filtre d’une autre. Des circuits intégrés de tampon numérique typiques disponibles sont le 74LS125 Quad 3-state buffer ou le plus courant 74LS244 Octal buffer.

Une dernière réflexion, le gain de tension en boucle fermée d’un circuit suiveur de tension est « 1 » ou Unité. Le gain de tension en boucle ouverte d’un amplificateur opérationnel sans rétroaction est Infini. Par conséquent, en choisissant soigneusement les composants de rétroaction, nous pouvons contrôler le montant du gain produit par un amplificateur opérationnel non-inversant allant de un à l’infini.

Jusqu’à présent, nous avons analysé un circuit amplificateur inversant et non-inversant qui a juste un signal d’entrée, Vin. Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs opérationnels, nous examinerons l’effet de la tension de sortie, Vout, en connectant davantage d’entrées à l’amplificateur. Cela produira alors un autre type commun de circuit amplificateur opérationnel appelé Amplificateur de Somme, qui peut être utilisé pour « additionner » les tensions présentes sur ses entrées.