Amplificateur opérationnel (AOP)

Présentation

Un amplificateur opérationnel est parfois décrié par les concepteurs "tout transistors", et je n'ai rien de spécial à dire de mon côté, quant à mes préférences entre ces deux types de composants. Pour moi, les AOP, quand ils sont bien choisis, sont sacrément pratiques. Même chose pour les transistors. Cette page va présenter de façon succincte l'amplificateur opérationnel, appelé aussi AOP, en donnant quelques exemples d'utilisation. Si vous voulez en savoir plus, faites comme moi : Google et Hop ! le monde des schémas à base d'AOP s'ouvre à vous, avec moult courbes et formules s'il vous plait... Bonne lecture !

AOP ou ALI ?

Amplificateur OPérationnel ou Amplificateur Linéaire Intégré ? La deuxième appellation devrait être de rigueur. Mais j'avoue que j'ai un peu de mal à m'y faire, et que dans le descriptif de mes montages, j'emploie encore le terme AOP. Merci de votre compréhension.

Commençons par le début...

Qu'est qu'un amplificateur opérationnel (ou amplificateur linéaire intégré) ? Il s'agit d'un composant électronique qui permet d'effectuer des opérations mathématiques (d'où son nom), et qui possède au moins 5 pattes de connexion :
 

            1 entrée inverseuse notée "-"

            1 entrée non-inverseuse notée "+"

            1 sortie

            2 broches pour l'alimentation du composant

 

Ce circuit est quasiment toujours représenté sous la forme d'un triangle avec une pointe orientée vers la droite, qui représente la sortie. Sa représentation schématique ressemble la plupart du temps au dessin de gauche ci-dessous, mais il arrive que le dessinateur omette volontairement le dessin des broches d'alimentation (dans un soucis de clarification du schéma), ce qui donne alors un dessin ressemblant à celui de droite (remarque : les numéros de broches indiqués ci-dessous correspondent à un modèle d'AOP, pas à tous) :



Sans entrer dans les détails, voici ce que l'on peut retenir d'un AOP :
 

Ses entrées inverseuse et non-inverseuse ont une impédance très élevée, des valeurs de 10MO ou 100MO sont courantes (un AOP idéal présenterait des entrées dont l'impédance est infinie). Cette caractéristique fait que les entrées ne prélèvent quasiment aucun courant au circuit auquel elles sont raccordées, et bien souvent on considère ce courant comme nul.

 

Sa sortie possède une impédance très basse, de quelques ohms à quelques dizaines d'ohms en général (un AOP idéal présenterait une sortie dont l'impédance est nulle).

 

La tension de sortie de l'AOP est en relation directe avec (est une fonction de) la différence de potentiel qui règne entre les deux entrées inverseuse et non-inverseuse.

 

Le gain (taux d'amplification) d'un AOP est généralement extrêmement élevé (plusieurs centaines de milliers). Mais en pratique, le gain est ramené à des valeurs plus "raisonnables" de 10, 100, 1000 (voire un peu plus), en utilisant quelques composants additionnels (voir exemples plus loin sur cette page).

 

Sa bande passante correspond à la plage de fréquence dans laquelle l'AOP peut travailler avec un gain acceptable. Elle est souvent exprimée pour un gain de 1, ou sous forme de "produit gain-bande".

 

Beaucoup d'AOP sont conçus pour être alimenté de préférence avec une alimentation symétrique (alimentation double, une positive à relier à la broche +V, et une négative à relier à la broche -V). Certains modèles d'AOP se contentent néanmoins d'une alimentation simple (borne la plus positive de l'alimentation à relier à la broche +V, et borne la plus "négative" à relier à la masse).

 

Les tensions extrêmes maximales que peut sortir l'AOP n'atteignent pas les valeurs des tensions d'alimentation. Selon les modèles, une différence de 2V peut être observée (dans ce cas, avec un alimentation +/-15V, la tension en sortie de l'AOP ne pas excéder +/-13V). Si cela ne pause généralement pas de problème avec des tensions "élevées", il faut savoir que cela peut constituer une limitation gênante dans certaines applications, notamment quand l'alimentation se fait par pile.

 

Le courant de court-circuit de la sortie correspond à la valeur maximale de courant que l'AOP peut débiter quand la sortie est reliée à la masse. Pour certains AOP, ce courant de court-circuit est limité en interne, pour d'autre il n'est pas limité et peut être destructeur s'il dure trop longtemps.

 

Le temps de montée (slew-rate) correspond au temps que met la tension en sortie pour monter ou pour descendre, et est spécifiée par le constructeur pour un gain de 1.

Conventions

Pour les schémas d'exemple qui vont suivre, j'adopterai toujours les conventions suivantes :

 

Un triangle est utilisé pour représenter l'amplificateur opérationnel (AOP)

 

Quand elle est dessinée, la broche positive d'alimentation (+V) est située vers la gauche du triangle et est dirigée vers le haut

 

Quand elle est dessinée, la broche négative d'alimentation (-V) est située vers la gauche du triangle et est dirigée vers le bas

 

L'entrée Non-Inverseuse est située à gauche et est représentée par le signe "+"

 

L'entrée Inverseuse est située à gauche et est représentée par le signe "-"

 

La sortie est représentée par la pointe du triangle et est dirigée vers la droite

 

Amplificateur inverseur

Il s'agit, avec le montage en amplificateur inverseur, d'une des applications les plus rencontrées de l'amplificateur opérationnel.



Comme il l'a été dit avant, un AOP présente un gain immense, rarement exploité tel quel (sauf pour les comparateurs de tension, voir plus loin). L'ajout de deux résistances permet de contrôler le gain avec une grande précision, c'est ce que montre le schéma ci-avant. On place d'abord une résistance entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'AOP : cette résistance est appelée résistance de contre-réaction. Puis on place une seconde résistance entre l'entrée inverseuse et l'entrée effective du montage. Le choix de ces deux résistances va permettre de déterminer le gain. Pour un montage inverseur, le gain est défini par la relation suivante :

Gain = R2 / R1.

C'est tout ? Bah oui, c'est très simple en fait. Dans l'exemple précédent, les résistances R2 de 100 kO (100000 ohms) et R1 de 10 kO (10000 ohms), impliquent donc un gain de 10. Gain de 10... Très bien, mais encore ? Eh bien un gain de 10 veut simplement dire que si vous appliquez une tension de 0,1 V en entrée, vous aurez 10 fois plus en sortie, c'est à dire 1 V. Pour être précis, nous aurons -1 V puisque le montage inverse la polarité de la tension d'entrée. Vous voulez un gain de 47 ? Il vous suffit de donner à R2 la valeur de 470 kO, et le tour est joué !

Remarques : 

- Le gain dont il est question dans les lignes précédentes exprime un rapport, un taux d'amplification. Il n'a pas d'unité (le gain est de 10x, ce qui n'est pas équivalent à 10 dB).

- Certains appellent ce montage amplificateur à gain négatif (de gain -10 dans le cas présent) parce que l'amplificateur inverse la phase du signal qu'on lui fournit. Personnellement, je préfère parler d'amplificateur inverseur de gain 10, pour éviter toute confusion avec le gain exprimé en dB qui, quand il est négatif, correspond à une atténuation.

Amplificateur non-inverseur

Montage très classique là aussi, et qui ressemble fort au précédent. Les deux schémas de câblage ci-dessous sont les mêmes, seule la disposition des résistances diffère entre les deux. Notez comment on peut tout de suite interpréter différemment un schéma, simplement en modifiant l'emplacement de quelques composants...

 

Comme pour le montage en amplificateur inverseur, le gain de ce montage est déterminé par une relation entre les valeurs de R2 (cette résistance R2 est ici aussi appelée résistance de contre-réaction) et R1. La formule diffère légèrement de celle vue juste avant, mais reste vraiment très simple elle aussi :

Gain = (R2 / R1) + 1.

Avec 100K pour R2 et 10K pour R1, le gain est donc de 11.

Remarque : Pour le montage non-inverseur comme pour le montage inverseur, la contre-réaction (réinjection d'une portion du signal de sortie sur l'entrée) s'effectue toujours sur l'entrée inverseuse. 

Suiveur de tension

L'usage d'un AOP pour réaliser un amplificateur de tension est presque évident quand il s'agit... d'amplification. L'usage d'un AOP monté en suiveur de tension peut paraitre moins évident au premier abord, puisque l'amplitude du signal en sortie de l'AOP est égale à celle appliquée sur son entrée (c'est pourquoi on l'appelle suiveur - ou répéteur - de tension). Alors quel intérêt ?



La lecture des lignes en haut de cette page donne la réponse : entrée à très haute impédance, et sortie à très faible impédance. Montage idéal pour réaliser un adaptateur d'impédance, et particulièrement apprécié quand il s'agit de prélever un signal sur une source dont l'impédance de sortie est très élevée. Comme la contre-réaction est totale (la totalité du signal de sortie est réinjecté sur l'entrée inverseuse), le gain est de un (pas d'amplification, ni d'atténuation). En pratique, ce gain sera toujours un tout petit peu inférieur à un, mais on néglige cette toute petite perte.

Sommateur (additionneur)

Ce type de montage est utilisé pour sommer (on dit aussi additionner ou mélanger) plusieurs signaux entre eux. C'est en quelques sortes un "mixeur" possédant au moins deux entrées et une seule sortie.



Ce montage peut effectuer le mélange en apportant ou non du gain, il suffit de choisir la valeur des résistances qui va bien. Chose plus intéressante encore, il est possible de choisir une valeur différente pour chaque résistance d'entrée (R1, R2 ou R3 sur le schéma précédent), de telle sorte que le signal appliqué sur chaque entrée ne soit pas amplifié de la même façon. Si par exemple on donne à R1 la valeur de 10K, et que l'on donne à R2 la valeur de 20K, un signal appliqué sur l'entrée 1 (avec R1) sera deux fois plus amplifié que le même signal appliqué sur l'entrée 2 (avec R2), car le rapport avec la résistance R4 est deux fois plus grande (10 contre 5).

Comparateur de tension

Dans ce type d'application, on met à profit le très grand gain de l'AOP, et on ne laisse la sortie avoir que deux valeurs de tension possibles : la tension max qu'il peut fournir, et la tension min qu'il peut fournir. Toutes les tensions intermédiaires ne peuvent exister de façon "stable", car le gain est ici tellement important, que la moindre petite différence de tension entre les deux entrées inverseuse et non inverseuse est amplifiée à un tel point qu'elle ne peut que "butter" contre les bornes imposées par la tension d'alimentation. Imaginez simplement une différence de tension de 1mV, alors que le gain est de 500000 : la sortie va désespérément essayer d'atteindre 500V... mais n'y arrivera évidement pas, car l'alimentation n'est que de 15V. Il existe plusieurs façon de câbler un AOP en comparateur de tension, mais les deux schémas ci-dessous devraient normalement suffire pour comprendre les grandes lignes, et vous permettre ensuite d'adapter l'engin à votre sauce.

 


Dans le premier cas (schéma de gauche), la tension présente sur l'entrée "+" est inférieure à la tension présente sur l'entrée "-". La sortie de l'AOP reste à l'état logique bas, et la LED verte s'allume. Dans le second cas (schéma de droite), la tension présente sur l'entrée "+" est supérieure à la tension présente sur l'entrée "-". La sortie de l'AOP passe à l'état logique haut, et c'est maintenant la LED rouge qui s'allume. Il peut sembler curieux d'utiliser les termes "niveau logique bas" ou "haut" pour une sortie d'AOP, qui fait plus partie du monde analogique que du monde numérique. Cependant, on peut bien se le permettre ici, car la sortie de l'AOP (un LM324), ne délivrera jamais sur sa sortie d'autres tensions que la plus petite ou la plus grande qu'il peut fournir. Notons au passage que l'alimentation utilisée ici est de type simple. En comprenant la logique présentée ci-avant, vous devriez être en mesure d'adapter ce schéma pour lui permettre de détecter n'importe quel dépassement, dans un sens ou dans l'autre, d'une tension à surveiller, par rapport à une tension de référence.

Oscillateur

Ici, on s'arrange pour que l'AOP délivre un signal répétitif (on dit périodique) de forme carrée. Notons au passage que cela lui arrive de le faire alors qu'on ne lui demande rien (oscillation parasite), et que cela est dans ce cas évidement très gênant.



En ajoutant une résistance et un condensateur, il est possible de réaliser un oscillateur à pont de Wien délivrant une tension de forme sinusoïdale.

Autres usages de l'AOP
 

L'AOP peut aussi être utilisé pour réaliser :
 

des filtres actifs (passe-bas, passe-haut, passe-bande, relecteur, à accord électronique, ...)

des amplificateurs pour capteurs et pour ponts de mesure

des redresseurs à diodes

des opérations mathématiques complexes (logarithmique, anti-logarithmique, exponentielle, multiplication, division...)

des amplificateurs de différence

des intégrateurs, des dérivateurs

des temporisateurs, des monostables

des triggers (deux seuils de basculement différents)

des comparateurs à fenêtre

des convertisseurs tension / courant (amplificateurs à transconductance)

des références de tension ou de courant (pour alimentations stabilisées par exemple)

des simulateur de self (montage en gyrateur)

Je vous invite très fortement à consulter les datasheet (feuilles de caractéristiques des composants, fournies par les fabricants), qui regorgent parfois d'exemples d'application.

Quel AOP choisir ?

Il est vrai qu'il n'est pas toujours évident de choisir un AOP pour une application donnée. Certains paramètres sont plus importants que d'autres dans telle situation, alors que leur importance devient bien moindre dans telle autre situation. Vous pouvez choisir un AOP en fonction de sa consommation, de son niveau de bruit propre, de sa bande passante, de son slew-rate (temps de montée, qui détermine sa capacité à passer rapidement d'une valeur à une autre), de la tension d'alimentation maximale qu'il peut supporter, du courant de sortie qu'il est capable de débiter ou d'absorber, etc. Pour un usage classique, vous pouvez par exemple commencer à vous orienter vers des circuits de la famille TL08x (TL081, TL082 ou TL084). Vous souhaitez des circuits qui "soufflent" un peu moins ? Regardez alors du côté de la série des TL07x. Votre priorité est une faible consommation ? Allez donc vous renseigner sur la série TL06x. Vous devez impérativement opérer avec une alimentation simple ? LM358, par exemple. Le courant d'entrée doit être le plus faible possible ? Le CA3130 fera peut-être l'affaire. Tension d'alimentation supérieure à +/-18V ? Une recherche chez les fabricants s'impose (il y a bien le LM675, mais son boitier ne me plait pas). Une page concernant les AOP dans le domaine de l'audio, donne quelques exemples d'AOP, il ne s'agit évidement pas d'une liste exhaustive, mais vous trouverez peut-être quelques références intéressantes.

Alimentation double (symétrique) ou simple (asymétrique) ?

Peut-on faire fonctionner un LF356 ou un TL072 avec une alimentation simple ? La réponse est oui. Et cela malgré le fait que certains revendeurs classent les AOP dans des catégories distinctes appelées AOP Alim double et AOP Alim simple. Il est vrai aussi que beaucoup de feuilles de caractéristiques (datasheet) ne mentionnent pas précisément ce point, et que cela est une des causes probables de la confusion qui règne à ce sujet. En réalité, il est possible de faire fonctionner n'importe quel AOP avec une alimentation simple. Le TL072 n'a pas de broche de masse, et n'a pas les moyens de savoir comment votre alimentation est conçue. Prenez l'exemple d'un TL072 alimenté en +/-15V. Que voit-il sur ses bornes 4 et 8 ? du -15V et du +15V, ou une masse (0V) et du +30V ? Vous le voyez, tout n'est question que d'appellation et de référence.

Après, à vous de décider ce que sera la masse. Dans tous les cas, vous en conviendrez, il est nécessaire d'envoyer sur les entrées de l'AOP, des tensions qui soient cohérentes avec la tension d'alimentation. Vous n'avez pas l'intention je pense, de lui donner à manger une tension variant de -4V à +4V, s'il est alimenté entre masse et +18V, n'est-ce pas ? Non ? Si ? Hum... Et si on décidait de décaler la tension de -4V/+4V vers le haut pour rester dans le domaine des tensions positives, qu'en pensez-vous ? Ca marcherait ou pas ? Allez, on essaye ! Un offset de tension continue de +4V (appelez ça une tension de polarisation si vous le souhaitez) superposée à notre tension alternative de 8V crête à crête et zou, nous voilà sauvé !

La tension évolue maintenant non plus entre -4V et +4V, mais entre 0V et 8V. Et comme la tension d'alim va de 0V à +18V, tout va dans le meilleur des monde ! re-Hum... Vous êtes sûr ? Vous avez essayé de le faire vraiment ? Parce que si vous le faites vraiment, vous allez tomber sur un os. Ne sont pas si courants que cela les AOP dont la sortie accepte de fonctionner si près des bornes d'alimentation. Vous devez vous réserver une marge aussi bien du côté négatif que du côté positif de l'alimentation, si vous voulez éviter un méchant écrêtage. L'idéal étant que les entrées se trouvent toujours à quelques volts de distance des bornes d'alimentation. Si vous avez besoin d'un AOP dont la sortie puisse excursionner de façon très rapprochée des bornes d'alimentation (on dit aussi rails d'alimentation), il vous faudra choisir soigneusement le composant, qui sera alors de type "rail-to-rail". Un LM324, un LM358 ou un LMC660 par exemple, sont capables de fonctionne très près de la branche d'alimentation négative.


A retenir : si les entrées sont maintenues à un potentiel dont la valeur est moitié de la tension d'alimentation, tout se passera bien dans la plupart des cas. Même avec une alim simple ! Tout cela n'aurait-il pas un petit rapport avec les masses virtuelles ?

Mise en oeuvre d'un AOP avec alim simple
Rien de tel que quelques petits schémas, pour montage amplificateur non inverseur, et pour montage amplificateur inverseur.

 


On retrouve parfois les deux schémas précédents mais un peu simplifiés (les composants n'ont pas été renommés pour mieux laisser voir ceux qui ont été retirés) :

 

Questions diverses

 

Q : Dans aucun des schémas présentés, on ne voit la masse directement raccordée à une broche de masse sur l'AOP. S'agit-il d'un oubli ?


R : Les AOP ne disposent pas de broche de masse, et il est vrai que cela peut sembler curieux puisqu'ils ont deux broches réservées pour leur alimentation. La masse peut cependant être reliée à la broche d'alimentation -V si l'alimentation est de type simple (par opposition à l'alimentation double). Mais dans ce cas, l'AOP n'est plus en mesure de délivrer de tensions négatives.


Q : La bande passante d'un AOP pouvant être très grande, pourquoi ne pas en profiter pour étendre la plage de fréquence à amplifier. Par exemple, limiter la bande passante à 500 KHz pour passer la BF le mieux possible (je pense aux signaux carrés à 18 KHz) ?


R : Un signal carré à 18 KHz sera perçu comme une sinus de 18 KHz, car l'oreille n'entendra pas les harmoniques de ce signal carré. De plus, la stabilité d'un amplificateur est très étroitement liée à son gain. Plus le gain est élevé, et plus la tendance à l'oscillation (parasite) est forte. Alors autant rester raisonnable et se contenter du vraiment utile.


Q : Mais pourquoi donc la plupart des AOP nécessitent-ils une alimentation double pour fonctionner correctement ? Une alimentation simple est tout de même plus simple à construire !


R : Les AOP ont été conçus pour travailler au dessus et en dessous de 0V. Dans le domaine audio, cela permet par exemple de se passer de condensateur de liaison. Ceci dit, n'importe quel AOP est capable de travailler avec une alimentation simple (voir paragraphe concernant ce sujet, sur cette même page).


Q : Quand on utilise une tension symétrique, est-il obligatoire que la tension positive soit de même valeur que celle de la tension négative ?


R : Ce n'est pas obligatoire quand la plage de fonctionnement souhaitée dans la partie négative n'est pas la même que celle demandée dans la partie positive. En audio, cela est plutôt rare, mais cela peut se rencontrer dans certains autres montages.

 

 

 

 

 

 

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