Partie 11 - Ch.46

PARTIE 11 • FONCTIONS
46
Amplificateur
opérationnel
Il est possible, avec un amplificateur opérationnel, de réaliser un grand nombre
de fonctions. Dans ce chapitre seront abordées les fonctions amplification et
comparaison.
AVANT DE DÉMARRER…
La fonction amplification n’est pas seulement associée à la hi-fi
ou à la télévision. Pour l’électronicien, amplifier c’est :
– comparer ;
– additionner ;
– inverser ;
– multiplier ;
– corriger ;
Fig. 1 Amplificateur opérationnel.
– réguler…
Le signal, en entrée d’une fonction, est toujours de faible puissance et il peut être de différentes natures (infrarouge, température, retour vitesse…).
L’amplificateur opérationnel est une solution technologique possible quant au traitement de
ce signal. Il se présente sous la forme d’un circuit intégré (fig. 1), composé essentiellement de
transistors.
OBSERVONS
Le schéma de la figure 2 (dont la structure interne n’est
volontairement pas représentée) fait figurer une tension
d’entrée v1 et une tension de sortie v2.
La charge est résistive.
Montage avec
Amplificateur
opérationnel
v1
v2
Charge
résistive
Fig. 2 Montage général.
•
Première observation
La tension d’entrée v1 est sinusoïdale, son amplitude est
réglée à 2 V et sa fréquence à 100 Hz.
Nous observons sur l’oscillogramme (fig. 3) que l’amplitude de la tension
de ∧sortie v2 est plus grande que la
∧
tension v1, avec V 2 = 4 V 1.
Le montage fonctionne en amplificateur de tension.
278
AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
v
10
t
0
–10
Fig. 3 Le signal est amplifié.
•
Deuxième observation
v1 reste inchangée (fig. 2), mais la structure interne est
modifiée.
(fig. 4) un signal v2
Nous observons sur l’oscillogramme
∧
∧
inversé et amplifié, avec V 2 = – 4 V 1.
Le montage fonctionne en amplificateur inverseur de
tension.
v
10
t
0
–10
Fig. 4 Le signal est amplifié
et inversé.
•
Troisième observation
Le schéma de la figure 5 montre deux tensions en entrée,
une tension v1 et une tension v’1.
v2 est toujours la tension de sortie.
La structure interne est encore différente.
v’1
v1
Montage avec
amplificateur
opérationnel
v2
Charge
résistive
La tension d’entrée v1 est sinusoïdale et son amplitude est
Fig. 5 Montage avec deux tensions
réglée à 2 V.
d’entrée.
La tension v’1 est continue et réglée à 2,5 V. Nous observons sur l’oscillogramme (fig. 6), un signal v2 sinusoïdal,
inversé et d’amplitude supérieure par rapport à v1.
v
De plus v2 est décalé vers le bas.
Le signal v2 est le résultat de la somme, inversée et ampli- 2
t
0
fiée, des deux signaux d’entrée avec :
∧
∧
∧
–3
V 2 = – 1,5 (V 1 + V ’1).
–6
Le montage fonctionne en sommateur inverseur.
Fig. 6 La somme des deux signaux
est amplifiée et inversée.
•
Quatrième observation
Le montage est celui du schéma de la figure 5. La tension
d’entrée v’1 est sinusoïdale et son amplitude est réglée à
10 V, et la tension v1 est continue et réglée à 5 V.
v2 est toujours la tension de sortie.
La structure interne est encore différente.
Nous observons sur l’oscillogramme (fig. 7) un signal v2
rectangulaire et dans ce cas périodique.
À l’intersection des deux courbes v1 et v’1, la tension v2
bascule à une valeur de – 14 V ou + 14 V.
Le signal est le résultat de la comparaison des deux
signaux d’entrée ; le montage fonctionne en comparateur.
v
20
t
10
0
– 10
– 20
Fig. 7 Les deux signaux sont
comparés.
AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
279
PARTIE 11 • FONCTIONS
À SAVOIR
1. Particularités d’un amplificateur opérationnel
a) Présentation d’un amplificateur opérationnel
La représentation symbolique (fig. 8) d’un amplificateur
opérationnel fait apparaître deux entrées, E– et E+, et une
sortie, S.
∞
E–
–
E+
+
S
+
Plusieurs abréviations sont utilisées pour désigner un
amplificateur opérationnel. En voici quelques exemples :
AOP ou AO = Amplificateur opérationnel.
ACI
= Amplificateur à circuit intégré.
ACIL
= Amplificateur à circuit intégré linéaire.
ALI
= Amplificateur linéaire intégré.
ADI
= Amplificateur différentiel à circuit intégré.
Fig. 8 Symbole d’un AO.
La figure 9 représente différentes tensions :
– les tensions d’entrées Ve+ et Ve–
– la tension de sortie Vs
– la différence Vd avec Vd = Ve+ – Ve–
– les tensions d’alimentation + Vcc et – Vcc.
+Vcc
–
+
vd
Un amplificateur opérationnel ne peut fonctionner que
s’il est alimenté. Les tensions + Vcc et – Vcc sont deux tensions continues (symétriques ou non), elles fournissent
l’énergie et polarisent le composant.
∞
+
ve–
ve+
vs
–Vcc
Fig. 9 Les tensions.
Afin de simplifier les schémas de ce chapitre, l’AOP
sera représenté sans son alimentation.
∑ Vocabulaire
Une liaison est réalisée (fig. 10), par l’intermédiaire d’une
ou de plusieurs résistances, entre la sortie et une des deux
entrées E de l’AOP.
On parle alors de boucle fermée, de réaction positive
ou de réaction négative (contre-réaction).
Si cette liaison n’est pas réalisée, l’AOP fonctionne en
boucle ouverte.
–
∞
+
vd
+
ve–
ve+
vs
Fig. 10 Boucle ouverte ou fermée.
b) Rôle d’un amplificateur opérationnel
Le rôle de l’AOP est d’amplifier la différence des tensions ve+ et ve–.
La tension vs est le produit de l’amplification en boucle ouverte Ad par la différence vd.
vd = ve+ – ve– fi vs = Ad • vd
280
AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
c) Caractéristique de transfert : vs = f (vd)
Cette caractéristique (fig. 11) nous donne la variation de vs en fonction de vd, et elle peut être
décomposée en deux zones.
Zone 1
C’est le domaine linéaire.
On a bien : vs = Ad • vd.
Pour rester en zone 1, vd sera très faible, puisque
l’amplification en boucle ouverte Ad, qui est une
constante, est grande (105 à 106).
Dès lors, vd peut être négligé.
+Vsat
Zone 2
vs
Zone 1
Zone 2
vd
–Vsat
Fig. 11 Caractéristique de transfert.
Zone 2
C’est le domaine de saturation.
La sortie ne peut prendre que deux états et dépend du signe de vd.
Si vd > 0 alors vs = + Vsat
Si vd < 0 alors vs = – Vsat
avec Vsat (tension de saturation) inférieure à Vcc (tension d’alimentation) de quelques dixièmes
de volt.
Exemple : pour Vcc = 15 V alors Vsat = 14 V.
d) L’AOP peut être utilisé dans deux familles de montage
Observation visuelle sur le montage :
(boucle ouverte)
(boucle fermée)
Modèle élémentaire (presque
toujours suffisant)
AOP parfait
Modèle élémentaire (presque
toujours suffisant)
AOP parfait
vs = + Vsat ou vs = – Vsat
vd = 0
alors :
Montage fonctionnant en commutation.
Montage fonctionnant en régime linéaire.
Sachant que :
– Résistance d’entrée : par construction, Rentrée est très élevée. Exemple : TL 081 ; Rentrée = 1012 Ω.
Conséquence :
Les courants d’entrée sont toujours négligeables.
– Résistance de sortie : par construction, Rsortie est comprise entre 10 Ω et 100 Ω environ.
Conséquence :
W).
Rs négligeable si Rcharge est suffisamment élevée (Rcharge > 10 kW
AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
281
PARTIE 11 • FONCTIONS
2. Différents montages
Reprenons nos observations de début de chapitre, en précisant cette fois la structure interne
associée à chaque fonction.
a) Montage amplificateur de tension (fig. 12)
L’AOP fonctionne en régime linéaire
(il existe une boucle de contreréaction).
R2
R1
Nous pouvons calculer l’amplification
en tension à l’aide de la relation :
Av =
v2
v1
=
R1 + R2
R1
= 1+
R2
∞
–
vd
+
+
v1
v2
Rc
v2
Rc
R1
Fig. 12 Montage amplificateur.
b) Montage amplificateur inverseur de tension (fig. 13)
L’AOP fonctionne en régime linéaire
(il existe une boucle de contreréaction).
Nous pouvons calculer l’amplification
en tension à l’aide de la relation :
Av =
v2
v1
=–
R2
R1
–
vd
v1
∞
+
+
R2
R1
Fig. 13 Montage amplificateur inverseur.
c) Montage sommateur inverseur (fig. 14)
L’AOP fonctionne en régime linéaire
(il existe une boucle de contreréaction).
La tension v2 sera alors :
v v’
v2 = – R2 ( 1 + 1 )
R1 R’1
R2
R’1
v’1
R1
–
vd
∞
+
+
v1
Fig. 14 Montage sommateur inverseur.
Le résultat peut être étendu à n tensions d’entrées.
R
Si R ’1 = R1 = R alors v2 = – 2 (v1 + v ’1).
R
Si R ’1 = R1 = R2 alors v2 = – (v1 + v ’1).
282
AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
v2
Rc
d) Montage comparateur (fig. 15)
L’AOP fonctionne en régime de commutation (il n’existe pas de boucle de
contre-réaction).
Du signe de vd dépend la valeur de v2
qui peut être + Vsat ou – Vsat.
On a : vd = ve+ – ve– et donc vd = v1 – v ’1.
À la lecture des courbes (fig. 7), on
vérifie que :
v2 = +Vsat quand v1 > v’1 car vd > 0 ;
v2 = – Vsat quand v1 < v ’1 car vd < 0.
∞
R
–
v’1
R
+
vd
+
Rc
v2
v1
Fig. 15 Montage comparateur.
TESTEZ VOS CONNAISSANCES
L’oscillogramme de la figure 16 représente les tensions d’entrée et de sortie d’un montage comportant un amplificateur opérationnel.
5
1
v
L’oscillogramme de la figure 17 représente les ten-
sions d’entrée et de sortie du montage de la figure
12 avec Ad = 4.
20
v1
t
v
10
0
–10
–20
t
Fig. 17
v2
Fig. 16
1. Quelle est la valeur de l’amplification Ad ?
b) Ad = 5
a) Ad = 1
c) Ad = – 1 d) Ad = – 5
2. Quelle est la fonction réalisée par ce montage ?
a) Amplificateur de tension.
b) Comparateur.
c) Amplificateur inverseur de tension.
d) Sommateur inverseur.
Pour quelle raison la tension de sortie est-elle écrétée ?
a) L’amplificateur n’est plus opérationnel.
b) L’amplificateur est saturé.
c) L’amplificateur n’est pas alimenté.
d) Il n’existe plus de contre-réaction.
À partir du montage de la figure 13, quelle est la
valeur de la résistance R1, sachant qu’à l’instant t1 :
v1 = 3 V et v2 = – 12 V et que R2 = 10 kΩ ?
a) R1 = 2 300 Ω.
b) R1 = 2 400 Ω.
c) R1 = 2 500 Ω.
d) R1 = 2 600 Ω.
AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
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