Dernière mise à jour : 20/11/2011
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 succinte 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
schémathique 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 trop 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, notemment 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 cablage ci-dessous sont les mêmes, seule la disposition des
résistances diffère entre les deux. Notez comment on peut
tout de suite interpréter différement 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 interêt ?
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 interressante 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 grand (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 désespérement essayer d'atteindre 500V...
mais n'y arrivera évidement pas, car l'alimentation n'est que de
15V. Il existe plusieurs façon de cabler 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. Exemple : Générateur audio 010.
Autres usages de l'AOP
L'AOP peut aussi être utilisé pour réaliser :
- des filtres actifs (passe-bas, passe-haut, passe-bande,
rejecteur,
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. Voir aussi
le site Electronique.AOP
qui regorge de schémas.
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 (version double) ou LM324 (version quadruple) par
exemple. Le courant d'entrée doit être
le plus faible possible ? Le CA3130 fera peut-être l'affaire.
Tension d'alimentation supérieure à +/-18 V ? Une
recherche chez les fabricants s'impose, on peut par exemple utiliser le
MC1436 qui supporte une alim de +/34 V (il y a aussi 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 interressantes. Pensez aussi à consulter
de temps en temps les sites internet des fabricants, qui proposent
parfois des systèmes de recherches assez bien foutu et surtout très
complets (tables paramétriques). Vous découvrirez ainsi par exemple que
les bons vieux LM741, TL071 ou TL081 peuvent avantageusement être
remplacés par un TLC271 ou par un TLV271. Ou encore que les TL072 (ou
TL082) et TL074 (ou TL084) peuvent dans bien des cas être remplacés
respectivement par un TLV2252 (ou TLV2262) et par un TLV2254 (ou
TLV2264). Ces derniers ont l'avantage de consommer fort peu de courant
et d'être de type "rail-to-rail" (très faible tension de déchet en
sortie), ce qui les rend particulièrement attrayants dans les montages
où la tension d'alimentation est faible et où il faut faire de
l'adaptation analogique en vue d'une conversion numérique, avec un PIC
doté d'un CAN par exemple.
Alimentation double (symétrique) ou simple
(asymétrique) ?
Peut-on faire fonctionner un LF356 ou un TL072 avec une alimentation
simple, alors qu'ils sont initialement conçus pour fonctionner avec une alimentation symétrique ? 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 précisement 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 -15 V
et du +15 V, ou une masse (0 V) et du +30 V ? 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 -4 V à +4 V, s'il est
alimenté entre masse et +18 V, n'est-ce pas ? Non ? Si ? Hum...
Et si on décidait de décaller la tension de -4 V/+4 V 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 +4 V (appelez ça une tension de polarisation
si vous le souhaitez) superposée à notre tension
alternative de 8 V crête à crête et zou, nous
voilà sauvé ! La tension évolue maintenant non
plus entre -4 V et +4 V, mais entre 0 V et 8 V. Et comme la tension d'alim
va de 0 V à +18 V, 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 (rabottage).
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 raprochée 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) :
Valeur des tensions d'alimentation
S'il est vrai qu'un AOP
conçu pour fonctionner avec une alimentation double de +/-15 V peut
fonctionner avec une alimentaton simple de +30 V, il faut savoir que
les performances globales peuvent être réduites si on le sous-alimente
fortement. Le fonctionnement des AOP est étudié pour qu'ils donnent
leur pleine mesure à une tension proche de la tension nominale, qui en
général est inférieure de quelques volts aux tensions maximales
tolérées avant destruction. Ainsi, un AOP prévu pour travailler à +/-15
V fonctionne avec un courant de repos bien précis qui détermine son
points de fonctionnement. Si on réduit sa tension d'alimentation à une
tension simple de +5 V, son fonctionnement général s'en trouve affecté,
aussi bien au niveau de son point de polarisation qu'au niveau des
tensions d'offset et tension max d'entrée. Il n'est donc pas recommandé
de faire fonctionner un AOP avec une tension très inférieure à sa
tension nominale, si on veut conserver ses performances maximales. En
revanche rien n'interdit de le faire si ladite baisse de
performances (qui n'est pas forcement énorme, il faut savoir
relativiser) n'est pas un problème. Dans un contexte professionnel, le
choix d'un AOP doit se faire de façon réfléchie, les concepteurs
doivent consulter les documents constructeur (datasheet) pour savoir
quel composant est le mieux adapté à leurs besoins. Pour une
utilisation sous une tension d'alimentation réduite, par exemple 3 V ou
5 V, il vaut mieux généralement opter pour des AOP "basse tension"
prévus d'origine pour travailler sous ces tensions faibles.
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.
Historique
20/11/2011
- Ajout infos concernant les valeurs de tension d'alimentation et conséquences de sous-alimentation.
