Introduction - Nathalie Rion

Montage n° 25
Montages utilisant l'amplificateur opérationnel en régime linéaire.
Introduction
L’Amplificateur Opérationnel, ainsi baptisé par John R. Ragazzini en 1947, a été initialement
conçu pour effectuer des calculs mathématiques dans les calculateurs analogiques. Il est
aujourd’hui miniaturisé dans un circuit intégré composé d’une vingtaine de transistors. Il est
d’un emploi très courant en électronique ; nous allons balayer dans ce montage quelques
exemples d’utilisation de l’AOP en régime linéaire.
VCe circuit intégré possède 8 pattes (schéma de brochage).
S
Son schéma normalisé est :
V+
+
L’AOP délivre une tension de sortie proportionnelle à la différence
de tension appliquée entre les 2 entrées : Us=0(V+-V-) avec 0 facteur d’amplification (de
l’ordre de 105.
Pour fonctionner, l’AOP, a besoin d’une alimentation stabilisée, non représentée sur le schéma
normalisé.
Il y a 2 types d’utilisation de l’AOP : l’utilisation en régime saturé (réalisation de signal carré,
bascules, comparateurs, CAN…) et l’utilisation en régime linéaire. Nous allons, dans ce
montage, nous limiter à l’étude du fonctionnement en régime linéaire.
Pour un AOP idéal, en régime linéaire, on a égalité des tensions sur les entrées de l’AOP (V+ =
V- ) et des courant d’entrée nuls.
On travaillera avec le 741 dans tout le montage.
Utilisation en amplificateur : amplificateur inverseur
I.
I.1
Fonctionnement
Observations à l’oscillo :
 Gain :
R2


Déphasage Vs par rapport à Ve
Type de signal (sinus, triangulaire, carré en
entrée – allure du signal en sortie)
Mesures du gain et du déphasage pour différentes
valeurs de R2. R=1k - f=800Hz sinus
R2
R2/R1
Vs/Ve
R1
+
Ve
Vs

A rapprocher de la théorie : on définit le gain en tension par :
I.2
I.2.1
Limites
Saturation en tension
Si on augmente Ve ou si on augmente le gain (R2) : il y a saturation en tension. Montrer que Vs
ne peut dépasser les valeurs des tensions d’alim de
l’AOP.
2 k
I.2.2
Saturation en courant
Ajouter une résistance de charge variable en sortie de
l’AOP. Pour un gain raisonnable donné, monter que si
on diminue Rch, il y a saturation en courant. (on peut
calculer isat). On cherche Rchmin pour lequel on a
saturation en courant. (Rchmin=280 - Vs=5,5V, donc
isat=20mA)
1k
Ve
+
Vs
Rch
I.2.3
Slew rate : vitesse de commutation
A haute fréquence, l’ampli n’arrive plus à commuter. Signal sinusoidal d’entrée, triangulaire en
sortie. On peut mesurer la pente du signal triangle à HF et comparer aux données constructeur.
741 : SR=0,5 V / s
TL081 : SR=13 V / s (30 fois moins rapide…)
I.3 Diagramme de Bode
Tracer le diagramme de Bode (gain et phase) Gdb=20logVs/Ve. Pour prendre les points,
repérer avant, en balayant les fréquence, la fréquence de coupure (à partir de aquelle Vs
chute).
Détermination de la fréquence de coupure pour un gain de 2 (= Gdbmax-3db ou Gmax/
Idem pour un gain de 6.
Conclusion : si on augmente le gain, on a une fréquence de coupure + faible. Il y a un
compromis à faire.
Gxf=constante
II.
Montage suiveur pour réaliser un générateur de tension idéal
II.1 Limites du générateur de tension
Si on diminue la résistance de charge, courant trop fort
demandé au GBF. Il ne peut pas suivre. La tension au
borne du GBF chute. (car GBF n’est pas parfait : il possède
une résistance interne que l’on ne peut plus négliger
devant Rch si Rch très faible).
f=4kHz – très facile à montrer. Rchlim=400
y1
II.2 Rôle du suiveur
A Rchlim=400, c’est OK (la tension de chute plus aux bornes
du GBF). Zin de l’AO est . Le GBF voit toujours la même
impédance.
On peut encore diminuer Rch, jusqu’à saturation en courant
(40)
Limite du suiveur : Il faut montrer la saturation en courant si
I>20mA
y2
+
y1
y2
GBF
III.
Rch
GBF
Rch
Montage sommateur
R=1k.
Ve1=sinus HF (1kHz)
R
Ve2=carré ou sinus ou triangle BF
R
(100 Hz)
2 signaux de fréquence différente (ou
Ve1
un signal continu + un sinusoïdal : on
R
+
ajoute une composante continue)
Vs
Faire une FFT derrière avec Régressi
Ve2
(ça marche avec oscillo numérique,
mais uniquement avec des signaux simples : on prendra sinus pour les 2 Ve) pour voir qu’on a
bien la somme des 2 signaux.) Application : synthétiseurs
Conclusion
De nombreuses utilisations de l’AOP en électronique. Nous en avons vu quelques unes ici.
Nous avons également abordé les limites de l’AOP, donc il faut veiller à rester dans une
plage correcte d’utilisation (fréquence pas trop élevée, courant de sortie pas trop fort…).
BIBLIO



Bellier Dunod chap 11 p.199 [1]
Duffait capes p.116 (bien pour la théorie) [2]
Quaranta III p.32 ed.1992 [3]
Questions
1. AO les plus courants : TL081 et 741. Il vaut mieux utiliser le 741 dans ce montage car il est moins bon
que le TL081 : on peut donc mieux mettre en évidence les défauts.
2. Régime non linéaire : si V+>V-, Vs=+Vsat ; si V+<V-, Vs=-Vsat
3. Réglage d’offset : si on court-circuite les 2 entrées, on devrait avoir Vs=0. Si ce n’est pas le cas, on met
un potentiomètre entre les pattes 1 et 5 et on peut régler pour faire le 0. (on l’utilise surtout lorsque l’on
veut amplifier du continu)
4. Ampli inverseur : pourquoi Bode à -20dB par décade en HF ? Vs/Ve=-R2/R1 = modèle en BF et non
en HF. En HF, il y a un terme en j, c’est ce qui explique la pente de l’asymptote.
5. Contre réaction : quid du gain ? sans contre réaction gain = 105. Avec CR, gain = 10. La CR entraine
une diminution du gain, mais une augmentation de la bande passante. (produit gainxBP = cst.)
Un amplificateur opérationnel (aussi dénommé ampli-op ou ampli op, AO, AOP[1], ALI[2] ou AIL[3]) est un
amplificateur différentiel : c'est un amplificateur électronique qui amplifie une différence de potentiel électrique
présente à ses entrées. Il a été initialement conçu pour effectuer des opérations mathématiques dans les
calculateurs analogiques : il permettait de modéliser les opérations mathématiques de base comme l'addition, la
soustraction, l'intégration, la dérivation et d'autres. Par la suite, l'amplificateur opérationnel est utilisé dans bien
d'autres applications comme la commande de moteurs, la régulation de tension, les sources de courants ou encore
les oscillateurs[4],[5],[6],[7].
Physiquement, un amplificateur opérationnel est constitué de transistors, de tubes électroniques ou de n'importe
quels autres composants amplificateurs. On le trouve communément sous la forme de circuit intégré.
Le gain en tension très important d'un amplificateur opérationnel en boucle ouverte fait de lui un composant utilisé
dans une grande variété d'applications. Certains amplificateurs opérationnels, de par leurs caractéristiques (temps
de montée, faible distorsion harmonique, etc.), sont spécialisés dans l'amplification de certains types
de signaux comme les signaux audio ou vidéo.
On doit le terme d'amplificateur opérationnel (Operational Amplifier en anglais) à John R. Ragazzini
en 1947[8],[9]. Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés à l'ère des tubes
électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques. Actuellement, les
amplificateurs opérationnels sont disponibles sous forme de circuits intégrés, bien que des versions
sous forme de composants discrets soient utilisées pour des applications spécifiques.
AO à tubes K2-W.
Le premier AOP disponible en grande série fut le K2-W de la société GAP/R[10] en janvier 1953
Schéma interne du AOP 741