Amplificateurs opérationnels

Amplificateurs opérationnels – Présentation

Les amplificateurs opérationnels sont des amplificateurs de tension à haut gain, aussi appelés amplificateurs différentiels, ou ampli-op. Ils portent cinq broches, bien que les symboles de montage excluent parfois les broches d'alimentation. Ce sont des composants actifs, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas fonctionner sans une alimentation électrique.

Ces dispositifs ont des entrées différentielles et une seule sortie dans la plupart des configurations. Ils ont été largement utilisés dans les ordinateurs analogiques, pour réaliser des opérations diverses telles qu'addition, soustraction, multiplication, division et autres opérations mathématiques. Ils sont encore couramment utilisés.

Les amplificateurs opérationnels peuvent générer des potentiels très élevés, par rapport à leur potentiel d'entrée. Ils peuvent multiplier des centaines de milliers de fois le potentiel initial et produire un gain de tension très important pour diverses applications.

Les amplificateurs opérationnels font partie des circuits intégrés les plus couramment utilisés. Ils bénéficient d'une flexibilité d'utilisation impressionnante. Comme ils peuvent considérablement amplifier l'entrée reçue, ils peuvent être utilisés dans une gamme d'applications remarquablement étendue.

 

Origine du nom et composants

Les amplificateurs opérationnels ont été premièrement développés pour des applications de télécommunication. Ils ont été plus tard utilisés dans des ordinateurs analogiques. Le terme amplificateur opérationnel ne renvoie pas à un fonctionnement électrique, mais la capacité de ces composants à effectuer des opérations mathématiques.

Sorti du boîtier du circuit intégré, un amplificateur opérationnel réunit un grand nombre de transistors et d'autres composants. Ils sont vendus comme des circuits intégrés, et il est donc plus pratique de les traiter comme une seule unité sans entrer dans le détail de leurs circuits internes.

 

Fabrication

Les amplificateurs opérationnels sont des dispositifs très complexes, incluant un grand nombre de transistors, diodes et autres composants interconnectés, assurant leur fonctionnalité. Dans la plupart des cas, les amplificateurs opérationnels sont vendus comme des circuits intégrés. Ils sont très compacts et très économiques.

Ils incluent en général cinq broches. La broche positive est appelée entrée non-inverseuse. La broche négative est appelée entrée inverseuse. Une paire de broches supplémentaires (positif et négatif) est connectée à l'alimentation électrique du dispositif. Normalement, une seule sortie est incluse.

Les composants d'un amplificateur opérationnel peuvent offrir différentes connexions, mais l'agencement à cinq broches est très courant. Il peut être utilisé comme comparateur et d'autres rôles, selon la configuration des connexions des entrées et des sorties sur le circuit.

 

Symbole schématique

Le symbole schématique d'un amplificateur opérationnel peut varier mais respecte une conception de base. Sur la plupart des schémas, les amplificateurs opérationnels sont représentés par un triangle. L'entrée inverseuse et l'entrée non-inverseuse sont indiquées sur le côté vertical du triangle. Les broches de l'alimentation électrique sont indiquées en haut et en bas du triangle, avec les mentions Vs+ et Vs- pour différencier les deux broches négative et positive. La sortie est représentée par une ligne qui débute à l'extrémité du triangle, avec la mention « Vout ».

 

Source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Op-amp_symbol.svg

 

Dans certains cas, les broches d'alimentation ne sont pas représentées sur le symbole, pour permettre une lecture plus facile. Mais elles sont normalement incluses sur le symbole.

 

Configurations dans des circuits

Un amplificateur opérationnel amplifie la différence de tension entre ses deux entrées non-inverseuse et inverseuse. Cette différence est une valeur appelée tension différentielle d'entrée.

Ces dispositifs peuvent être utilisés avec des circuits ouverts et fermés. Dans un circuit ouvert, il n'y a pas de boucle de contre-réaction reliant la sortie à l'entrée du dispositif.

Dans cette configuration, un amplificateur opérationnel peut générer une tension de sortie très élevée. La valeur de cette tension de sortie peut être très proche de la tension de l'alimentation électrique du dispositif. Lorsque la tension de sortie est supérieure à celle de l'alimentation du dispositif, la condition est dite saturée.

Dans cette configuration, l'amplificateur opérationnel peut fonctionner comme comparateur.

Dans certaines applications, l'amplificateur opérationnel est configuré en boucle fermée. Dans ce cas, la tension de sortie est partiellement conduite sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel.

Cette configuration offre une performance plus prévisible du dispositif. Mais elle réduit le niveau de gain que l'amplificateur peut produire. Cette configuration est aussi utilisée dans les ordinateurs analogiques exécutant des fonctions mathématiques.

Certains amplificateurs opérationnels nécessitent une alimentation électrique répartie qui est indiquée par le symbole ± sur les schémas. Lorsque l'amplificateur opérationnel peut opérer sans alimentation répartie, une des broches est indiquée comme broche de masse au lieu de V-.

Le terme différentiel fait référence au fait que la tension de sortie du dispositif dépend de la différence entre les tensions respectives des deux broches d'entrée. Dans la plupart des cas, l'alimentation électrique détermine la tension maximale du dispositif. Elle est normalement légèrement inférieure à celle de l'alimentation du dispositif.

La polarité joue aussi un rôle dans la tension de sortie. La sortie de l'amplificateur peut être positive ou négative, selon que l'entrée positive est supérieure ou inférieure à l'entrée négative. Si l'entrée positive est supérieure à l'entrée négative, la tension de la sortie sera positive. Si l'entrée négative est supérieure à l'entrée positive, la tension de la sortie sera négative.

 

Applications

Les amplificateurs opérationnels ont été premièrement développés pour des applications de télécommunication, comme indiqué précédemment. Ils étaient alors conçus pour amplifier des signaux transmis sur de longues distances.

Le concept fonctionnel de ce type d'amplificateur est relativement simple. Pour créer un amplificateur offrant des propriétés d'amplification capables de résoudre le problème des pertes de signaux, un ingénieur a eu l'idée de créer un amplificateur qui génère beaucoup plus d'amplification que normalement nécessaire pour porter les signaux. Au lieu d'augmenter sa capacité d'amplification, il a réduit sa sortie en ajoutant une boucle fermée.

Un amplificateur opérationnel peut produire un niveau d'amplification largement supérieur à ce qui est nécessaire. Mais il est plus pratique d'introduire une boucle fermée dans le circuit que d'amplifier constamment un signal faible.

Ces amplificateurs inverseurs reçoivent le signal d'entrée pour le passer dans une résistance puis dans l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel. Le signal de sortie est ensuite passé dans une deuxième résistance puis sur l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel.

Ces différents arrangements d'entrées et de sorties peuvent aussi servir à donner à l'amplificateur ses capacités opérationnelles, telles que différenciateurs, intégrateurs et autres, selon les besoins. Ces différents arrangements incluent l'ajout de condensateurs et de résistances sur le circuit, la contre-réaction et autres techniques pour exécuter des opérations mathématiques très complexes avec un dispositif analogique.

 

Spécifications et amplificateurs opérationnels parfaits et réels

Les amplificateurs opérationnels parfaits (ou idéaux) sont souvent utilisés pour des applications de calcul. Les amplificateurs opérationnels sont sujets à certaines limitations. Les amplificateurs opérationnels parfaits ont des caractéristiques spécifiques sans équivalents dans la vie réelle.

Un amplificateur opérationnel parfait a un potentiel de gain infini dans une configuration à boucle ouverte. Dans la réalité, même si un gain infini est impossible, les valeurs de gain restent très élevées. La limitation du gain dans une configuration avec une boucle ouverte est déterminée par la puissance de l'alimentation du dispositif. Dans la plupart des cas, cette valeur sera inférieure à celle de l'alimentation reçue, d'environ 1 Volt.

L'autre caractéristique d'un amplificateur opérationnel parfait est une impédance d'entrée infinie. Cette caractéristique concerne la résistance électrique des deux broches d'entrée, qui est infinie, et qui empêcherait le passage du courant. Mais comme dans toute application réelle, les entrées des amplificateurs opérationnels subissent des fuites. Ces fuites représentent des quantités de courant très faibles.

Les amplificateurs opérationnels parfaits ont aussi une résistance nulle sur la tension de sortie. Ces caractéristiques n'ont elles aussi aucun équivalent dans des situations réelles, puisqu'une broche offre toujours un niveau de résistance.

Compte tenu des spécifications d'un amplificateur opérationnel, la bande passante des circuits CA définit les fréquences que l'amplificateur opérationnel peut réellement utiliser. Dans le cas des amplificateurs parfaits, cette caractéristique est considérée comme infinie. Mais dans des applications du monde réel, le dispositif peut seulement fonctionner normalement et correctement avec une quantité limitée de mégahertz.

La tension d'offset désigne la sortie du composant lorsqu'une tension égale est appliquée aux deux entrées. Dans un dispositif parfait, cette valeur serait nulle. Mais dans un amplificateur opérationnel réel, elle n'est jamais nulle, bien que toujours très faible. C'est aussi le cas lorsque les deux broches sont connectées à la masse.

La vitesse de balayage est aussi une spécification importante de ces dispositifs. La vitesse de balayage représente la vitesse de variation maximale de tension que peut produire un amplificateur. Lorsque le dispositif atteint sa vitesse de balayage, le rythme de variation du signal de sortie reste stable. L'augmentation du signal d'entrée n'entraîne aucun changement supplémentaire dans le signal de sortie. Cette valeur est indiquée sous forme d'une tension mesurée dans le temps, entre moins de 1 V par microseconde et 13 000 V par microseconde.

 

Autres considérations

Comme toujours avec les circuits intégrés, des considérations communes et fondamentales doivent être prises en compte pour obtenir le fonctionnement souhaité d'un amplificateur opérationnel. Les caractéristiques de performance d'un amplificateur opérationnel peuvent changer en fonction de l'augmentation ou de la diminution de la température. Les composants sont vendus avec des températures opérationnelles minimum et maximum afin de garantir les spécifications opérationnelles dans les conditions d'utilisation de l'amplificateur.

Tous les amplificateurs génèrent du bruit électrique. Ce bruit provient simplement des fuites de tension du dispositif lorsqu'il ne reçoit aucun signal, soit la tension d'offset déjà mentionnée. Ceci peut ne pas avoir d'importance sur certains circuits, mais si un amplificateur est utilisé pour produire un gain très élevé, ou si le signal est à un niveau de bande passante très élevé, le bruit peut avoir un impact important sur le fonctionnement du circuit.

Disponibles avec montage traversant ou montage en surface, les amplificateurs opérationnels peuvent compter de cinq à 40 bornes. Ils peuvent offrir de 1 à 4 canaux, avec des types de sortie variés, tels que CMOS, Courant, Différentiel, NPN, Rail-Rail et d'autres.

 

Comme ils sont économiques, ils sont très souvent vendus en volumes.

Les fournisseurs offrent de nombreuses options et types, incluant large bande, audio, bipolaire, CMOS, feedback, crossover et bien d'autres types d'amplificateurs. Les amplificateurs répondant à des spécifications plus rigoureuses sont également disponibles, incluant des amplificateurs à très faible niveau de bruit, à haute-fidélité, etc., offrant des performances prévisibles dans des applications très exigeantes.

 

Achat

Ces composants sont généralement vendus par grande quantité. Assurer la fourniture d'un atelier n'est donc pas un investissement important. Grâce à leur forte capacité d'amplification des signaux, ces amplificateurs sont largement utilisés dans une multitude d'applications, incluant l'électronique industrielle, l'audio haut de gamme, etc.

Ces composants sont disponibles dans de très petites tailles, répondant à des applications très compactes. Certains modèles hautement spécialisés coûtent considérablement plus que les modèles moins sophistiqués et sont habituellement disponibles en plus petites quantités. Ces composants sont vendus seuls et dans certains cas, ils font partie d'autres circuits intégrés.

Bien qu'ils soient aussi disponibles dans des spécifications très précises, ce sont des composants très durables, et assez résistants à la chaleur. Dans certaines combinaisons, ils peuvent être encore plus durables, utilisables avec des tensions très élevées, par exemple pour amplifier un instrument de musique.

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