Partie 11 - Ch.46

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 ;
– réguler…
Le signal, en entrée d’une fonction, est toujours de faible puissance et il peut être de diffé-
rentes 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.
AVANT DE DÉMARRER…
Il est possible,avec un amplificateur opérationnel,de réaliser un grand nombre
de fonctions. Dans ce chapitre seront abordées les fonctions amplification et
comparaison.
Fig. 1 Amplificateur opérationnel.
Le schéma de la figure 2 (dont la structure interne n’est
volontairement pas représentée) fait figurer une tension
d’entrée v
1
et une tension de sortie v
2
.
La charge est résistive.
•
Première observation
La tension d’entrée v
1
est sinusoïdale, son amplitude est
réglée à 2 V et sa fréquence à 100 Hz.
Nous observons sur l’oscillogramme
(fig. 3) que l’ampli-
tude de la tension de sortie v
2
est plus grande que la
tension v
1
, avec V
∧
2
= 4 V
∧
1
.
Le montage fonctionne en amplificateur de tension.
OBSERVONS
v1v2
Montage avec
Amplificateur
opérationnel Charge
résistive
Fig. 2 Montage général.
v
t
–10
10
0
Fig. 3 Le signal est amplifié.
278 AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
PARTIE 11 • FONCTIONS
46Amplificateur
opérationnel

AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL 279
•
Deuxième observation
v
1
reste inchangée (fig. 2) , mais la structure interne est
modifiée.
Nous observons sur l’oscillogramme
(fig. 4) un signal v
2
inversé et amplifié, avec V
∧
2
= – 4 V
∧
1
.
Le montage fonctionne en amplificateur inverseur de
tension.
•
Troisième observation
Le schéma de la figure 5 montre deux tensions en entrée,
une tension v
1
et une tension v’
1
.
v
2
est toujours la tension de sortie.
La structure interne est encore différente.
La tension d’entrée v
1
est sinusoïdale et son amplitude est
réglée à 2 V.
La tension v’
1
est continue et réglée à 2,5 V. Nous obser-
vons sur l’oscillogramme
(fig. 6) , un signal v
2
sinusoïdal,
inversé et d’amplitude supérieure par rapport à v
1
.
De plus v
2
est décalé vers le bas.
Le signal v
2
est le résultat de la somme, inversée et ampli-
fiée, des deux signaux d’entrée avec:
V
∧
2
= – 1,5 (V
∧
1
+ V
∧
’
1
).
Le montage fonctionne en sommateur inverseur.
•
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 v
1
est continue et réglée à 5 V.
v
2
est toujours la tension de sortie.
La structure interne est encore différente.
Nous observons sur l’oscillogramme
(fig. 7) un signal v
2
rectangulaire et dans ce cas périodique.
À l’intersection des deux courbes v
1
et v’
1
, la tension v
2
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 compara-
teur.
v’1
v1v2
Montage avec
amplificateur
opérationnel Charge
résistive
Fig. 5 Montage avec deux tensions
d’entrée.
v
t
– 6
– 3
0
2
Fig. 6 La somme des deux signaux
est amplifiée et inversée.
v
t
– 20
– 10
0
10
20
Fig. 7 Les deux signaux sont
comparés.
v
t
–10
10
0
Fig. 4 Le signal est amplifié
et inversé.

PARTIE 11 • FONCTIONS
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.
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.
La
figure 9 représente différentes tensions :
– les tensions d’entrées V
e+
et V
e–
– la tension de sortie V
s
– la différence V
d
avec V
d
= V
e+
– V
e–
– les tensions d’alimentation + V
cc
et – V
cc
.
Un amplificateur opérationnel ne peut fonctionner que
s’il est alimenté. Les tensions + V
cc
et – V
cc
sont deux ten-
sions continues (symétriques ou non), elles fournissent
l’énergie et polarisent le composant.
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.
b) Rôle d’un amplificateur opérationnel
Le rôle de l’AOP est d’amplifier la différence des tensions v
e+
et v
e–
.
La tension v
s
est le produit de l’amplification en boucle ouverte A
d
par la différence v
d
.
v
d
= v
e+
– v
e–
fiv
s
= A
d
•
v
d
À SAVOIR
280 AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
E–
E+
–
++S
∞
Fig. 8 Symbole d’un AO.
–
++
∞
ve–
vd
ve+ vs
+Vcc
–Vcc
Fig. 9 Les tensions.
–
++
∞
ve–
vd
ve+ vs
Fig. 10 Boucle ouverte ou fermée.

AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL 281
c) Caractéristique de transfert :vs= f (vd)
Cette caractéristique (fig. 11) nous donne la variation de v
s
en fonction de v
d
, et elle peut être
décomposée en deux zones.
C’est le domaine linéaire.
On a bien : v
s
= A
d
• v
d
.
Pour rester en zone 1, v
d
sera très faible, puisque
l’amplification en boucle ouverte A
d
, qui est une
constante, est grande (10
5
à 10
6
).
Dès lors, v
d
peut être négligé.
C’est le domaine de saturation.
La sortie ne peut prendre que deux états et dépend du signe de v
d
.
Si v
d
> 0 alors v
s
= + V
sat
Si v
d
< 0 alors v
s
= – V
sat
avec V
sat
(tension de saturation) inférieure à V
cc
(tension d’alimentation) de quelques dixièmes
de volt.
Exemple : pour V
cc
= 15 V alors V
sat
= 14 V.
d) L’AOP peut être utilisé dans deux familles de montage
Observation visuelle sur le montage :
(boucle ouverte) (boucle fermée)
alors :
Montage fonctionnant en commutation.Montage fonctionnant en régime linéaire.
Sachant que :
– Résistance d’entrée : par construction, R
entrée
est très élevée. Exemple: TL 081 ; R
entrée
= 10
12
Ω.
Conséquence :
Les courants d’entrée sont toujours négligeables.
– Résistance de sortie : par construction, R
sortie
est comprise entre 10 Ωet 100 Ωenviron.
Conséquence :
R
s
négligeable si R
charge
est suffisamment élevée (R
charge
> 10 kWW).
Modèle élémentaire (presque
toujours suffisant)
AOP parfait v
d
= 0
Modèle élémentaire (presque
toujours suffisant)
AOP parfait
v
s
= + V
sat
ou v
s
= – V
sat
Zone 2
Zone 1
Zone 2 Zone 1 Zone 2
+Vsat
–Vsat
vs
vd
Fig. 11 Caractéristique de transfert.

PARTIE 11 • FONCTIONS
282 AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL
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 contre-
réaction).
Nous pouvons calculer l’amplification
en tension à l’aide de la relation :
b) Montage amplificateur inverseur de tension (fig. 13)
L’AOP fonctionne en régime linéaire
(il existe une boucle de contre-
réaction).
Nous pouvons calculer l’amplification
en tension à l’aide de la relation :
c) Montage sommateur inverseur (fig. 14)
L’AOP fonctionne en régime linéaire
(il existe une boucle de contre-
réaction).
La tension v
2
sera alors :
Le résultat peut être étendu à ntensions d’entrées.
R
2
Si R’
1
= R
1
= Ralors v
2
= – (v
1
+ v’
1
).
R
Si R’
1
= R
1
= R
2
alors v
2
= – (v
1
+ v’
1
).
v
1
v’
1
v
2
= – R
2
(+)
R
1
R’
1
v
2
R
2
A
v
== –
v
1
R
1
v
2
R
1
+ R
2
R
2
A
v
== =1 +
v
1
R
1
R
1
–
++
∞
R1
R2
v1
vd
Rc
v2
Fig. 12 Montage amplificateur.
–
++
∞
R1
R2
v1
vd
Rc
v2
Fig. 13 Montage amplificateur inverseur.
–
++
∞
R’1
R2
R1
v1
v’1
vd
Rc
v2
Fig. 14 Montage sommateur inverseur.