LES AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS

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LES
AMPLIFICATEURS
OPERATIONNELS

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1958 : J.S. Kilby inventait le circuit intégré.
1960 : Fairchild & Motorola fabriquait le premier Ampli
Opérationnel intégré µA 702.
19xx : Fairchild & Motorola fabriquait le deuxième Ampli
Opérationnel intégré le µA 741.
Les amplificateurs opérationnels sont des circuits intégrés
amplificateurs de signaux électriques. L'évolution de la
tension analogique d’entrée est reproduite par une tension de
sortie plus grande.
+Vcc
-Vcc
+
-
Les amplificateurs opérationnels sont utilisés dans la
réalisation de nombreuses fonctions de traitement de signaux
analogiques. Leur usage est généralisé à faible puissance
(500 mW) et dans la gamme des fréquences audio (100
kHz). Cependant certains types d’amplificateurs
opérationnels peuvent fonctionner jusqu’à des puissances de
5W ou jusqu’à des fréquences de 800 Mhz.
Exemples :
– Avant d’être restitué par un haut-parleur, le signal
faiblement reçu par le téléphone, peut être amplifié par
un amplificateur opérationnel ;
– Le traitement des signaux audio dans une table de
mixage, est effectués par des amplificateurs
opérationnels.
SYMBOLES
+Vcc
-Vcc
+
-
+Vcc
-Vcc
+
-
+
∞
PRINCIPE DE POLARISATION
L'amplificateur opérationnel doit être alimenté en énergie
électrique. Ces amplificateurs sont alimentés par tensions
simples ou symétriques. La valeur des tensions
d'alimentation, doit être fixée dans les limites prévues par le
constructeur.
Les deux entrées doivent être polarisées à une tension proche
de la moyenne des tensions d'alimentation, tout en
respectant les limites prévues par le constructeur.
L'information d’origine, est représentée par la variation
autour du point de repos, de la tension entre les deux entrées.
L’entrée « + » est baptisée entrée non-inverseuse. L’entrée
« - » est baptisée entrée inverseuse.
Dans le cadre d’une polarisation correcte, le rapport entre la
tension de sortie et la tension différentielle d’entrée
(Vs/∆Ve) est proche de 100000. Ce rapport représente
l’amplification en tension de l’amplificateur opérationnel, il
est noté A. Vs = A ×× (Ve+ - Ve-)
NOTATION DES GRANDEURS ELECTRIQUES
GRANDEURS STATIQUES
+Vcc
-Vcc Vsm
+
-
Ve+ Ve-
Ie+
Ie-
Is
Les équations de fonctionnement statique de l'amplificateur
opérationnel s'écrivent :
Vsm = A ×× ( Ve+ - Ve- + Vos ) - Rs ×× Is
avec : -Vsat ≤≤ Vsm ≤≤ +Vsat
Vos : Tension résiduelle d’entrée
Vsat : Tension de saturation
Ie+ = (Ve+ - Ve-) / Rd + Ibs + Ios / 2
Ie- = (Ve- - Ve+) / Rd + Ibs - Ios / 2
Ie+ + Ie- = 2 Ibs
Ibs : Courant de polarisation d’entrée
Ios : Courant résiduel d’entrée
Généralement, les influences des impédances d’entrée Rd et
de sortie Rs, sont négligeables. De plus, l’amplification A est
si grande (105) que l’on peut la considérer infinie. Si on reste
dans le domaine de linéarité de l’amplificateur (-Vsat < Vsm
< +Vsat), la tension d’entrée différentielle est alors
négligeable.
GENERALITES
HISTORIQUE
PRINCIPE DE BASE
APPLICATIONS
MISE EN OEUVRE ELECTRIQUE

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On en déduit les équations simplifiées de fonctionnement
statique de l'amplificateur opérationnel :
(Ve+ - Ve-) ≈≈ - Vos
Ie+ ≈≈ + Ibs + Ios / 2
Ie- ≈≈ + Ibs - Ios / 2
GRANDEURS DYNAMIQUES
vsm
+
-
ve+ ve-
ie+
ie-
is
En régime de petits signaux (dynamique), seules les
variations des grandeurs électriques sont prises en compte.
Les équations de fonctionnement linéaire de l'amplificateur
opérationnel s’écrivent :
vvsm = AA ×× (vve+ - vve-) - rrs ×× iis
iie+ = (vve+ - vve-) / rrd
iie- = (vve- - vve+) / rrd
Généralement, les influences des impédances d’entrée rrd et
de sortie r rs, sont négligeables. On en déduit les équations
simplifiées de fonctionnement linéaire de l'amplificateur
opérationnel : vvsm = AA ×× (vve+ - vve-)
iie+ ≈≈ 0
iie- ≈≈ 0
Dans le domaine des basses fréquences, l’amplification AA
est si grande (105) que l’on peut la considérer infinie. Si on
reste dans le domaine de linéarité de l’amplificateur, la
tension d’entrée différentielle est alors négligeable.
(vve+ - vve-) ≈≈ 0
PRINCIPE DE BOUCLE DE CONTRE-REACTION
A: Amplificateur Opérationnel (A >> 1)
B: Atténuateur (B ≤≤ 1)
Le schéma précédent représente une boucle de contre-
réaction. Cette boucle enchaîne une action directe de l’entrée
vers la sortie, réalisée par l’amplificateur A, suivie d’une
contre-réaction de la sortie vers l’entrée, amenée par
l’atténuateur B.
ETUDE EN REGIME DYNAMIQUE
Av : amplification en tension
v’v’ = BB ×× (vvsm - 0)
vvsm = AA ×× (vvin - v’v’)
vvsm = AA ×× (vvin - BB ×× vvsm)
vvsm + ABAB ×× vvsm = AA ×× vvin
vvsm (1 + ABAB) = AA ×× vvin
AvAv = vvsm/vvin = = A A / (1 + ABAB)
AvAv ≈≈ 1 / BB
L’amplification de la boucle fermée ne dépend plus de
l’amplificateur opérationnel mais, de la caractéristique
inverse de l’atténuateur.
REPONSE EN FREQUENCE
A : Amplification en boucle ouverte.
Ft : Fréquence de transition (fréquence pour laquelle le
module de l’amplification en boucle ouverte est réduit à 1).
F’: fréquence de coupure en boucle fermée.
1/B : Amplification en boucle fermée.
Le graphe précédent représente la réponse en fréquence d’un
amplificateur opérationnel en boucle ouverte et en boucle
fermée. On démontre que le produit Amplification par
Fréquence de Coupure, considéré en boucle fermée, est
constant et égal à la Fréquence de Transition en boucle
ouverte.
On en déduit la relation suivante :
F’×× 1/BB = = Ft
MODEL DYNAMIQUE

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rs
rd
Sortie
e+
e-
is
ie+
i
e-
A× (ve+ − ve-)
ε
Le diagramme ci-dessus, représente un schéma interne
équivalent à l’amplificateur opérationnel.
SYMBOLE DESIGNATION VALEUR
rrdImpédance d’entrée
différentielle 106 à 109Ω
AA Amplification en
tension 105 pour f = 10Hz
rrsImpédance de sortie 10 à 100 Ω
εε Tension d’entrée
différentielle
Les équations de fonctionnement linéaire de l'amplificateur
opérationnel s’ écrivent :
vvsm = AA ×× εε - rrs ×× iis ≈≈ AA ×× εε
εε ≈≈ 00
iie+ = εε / rrd ≈≈ 00
iie- = -εε / rrd ≈≈ 00
FILIERE TECHNOLOGIQUE
Un circuit intégré réunit plusieurs composant liés et réalisés
simultanément.
Une filière de fabrication représente un procédé
technologique qui permet la réalisation de circuits intégrés.
On fabrique les circuits intégrés à partir de dessins de
constitution. Une filière est essentiellement définie par des
règles de conception de ces dessins. Les limites de la filière
technologique sont celles des procédés de fabrication.
Aujourd’hui la finesse d’implantation des circuits intégrés
atteint 0,6µm.
La mise au point d’une filière technologique s’étale sur une
période de dix ans. Une nouvelle génération est mise en
oeuvre tous les deux ou trois ans.
Les constructeurs gardent très secrètes leurs filières de
fabrication.
On distingue essentiellement les circuits intégrés à couches
et les circuits intégrés monolithiques.
PRINCIPALES TECHNOLOGIES
CIRCUIT INTEGRE A COUCHES
Ces procédés sont constitués par des dépôts successifs de
film conducteur ou semi-conducteur sur un substrat isolant
neutre.
Ces dépôts peuvent être en couches minces, 1µm à 2µm, ou
en couches épaisses, 10µm à 20µm.
Un procédé hybride utilise des composants actifs rapportés et
des composants passifs en couches.
CIRCUIT INTEGRE MONOLITHIQUE
Ces procédés utilisent une seule pastille de silicium où sont
gravés, par photogravure ou par implantation ionique, les
éléments.
Chaque procédé monolithique est basé sur un type de
transistors.
Les circuits intégrés Bipolaires utilisent des transistors NPN
ou PNP.
Les circuits intégrés MOS regroupent les familles suivantes :
- La PMOS utilise des transistors MOS à canal P ;
- La NMOS utilise des transistors MOS à canal N ;
- La CMOS utilise des transistors MOS complémentaires à
canal N et P ;
- La BiMOS utilise des transistors Bipolaires et MOS
complémentaires.
CONSTITUTION INTERNE
Le circuit de l’amplificateur opérationnel est entièrement
intégré sur une même pastille de silicium.
Dans la plupart des amplificateurs opérationnels, on retrouve
la même organisation fonctionnelle. Le schéma suivant
représente une décomposition fonctionnelle primaire.
Différenciation en Amplification en
Courant
Amplification en
Tension
Régulation
Limitation en
Tension Courant
+
-Sortie
+Vcc et -Vcc
ANALYSE STRUCTURELLE DU XX741
Le schéma structurel suivant, reproduit le schéma interne
d’un xx741 dont l'usage est très répandu.
REALISATION PHYSIQUE

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La Fonction "Différenciation" est réalisée en deux parties :
- Les transistors Q1, Q2, Q3 et Q4 sont montés en
amplificateur différentiel. La tension entre les bases de
Q1 et Q2 représente la grandeur physique d'entrée.
- Les transistors Q5, Q6 et Q7 sont montés en miroir de
courant. La sortie de cet étage est un courant
proportionnel à la tension d'entrée, qui transite vers la
base de Q16. Les connexions marquées « offset »
permettent éventuellement de compenser les décalages
internes.
La Fonction "Amplification en Tension" est réalisée par les
transistors Q16 et Q17 montés en darlington et en émetteur
commun. Le condensateur C1 permet de corriger la réponse
en fréquence de l'amplification en tension du circuit.
La Fonction "Amplification en Courant" est réalisée par les
transistors Q14 et Q20 montés en push-pull en classe AB. Le
point de repos de ces deux transistors est régulé par le
transistor Q18 monté en générateur de tension.
La fonction "Limitation en Courant" est réalisée par les
transistors Q15 et Q22.
La fonction "Régulation" est réalisée par les transistors Q8,
Q9, Q10, Q11, Q12 et Q13.