Amplificateur opérationnel

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Amplificateur opérationnel LM741 en boitier DIP8

Utilisé en électronique, l'amplificateur opérationnel (également appelé ampli op, ampliope, AO, AIL, ou encore Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) est un composant amplificateur de tension qui offre en sortie un signal semblable à celui d'entrée, mais amplifié en tension. Toutefois un amplificateur opérationnel peut également fonctionner en régime non-linéaire, également appelé régime comparateur.

Certaines références d'amplificateurs opérationnels (TL081/TL082/NE5534/NE5532) sont communément utilisées dans des applications de sonorisation, ainsi que dans de nombreux circuits analogiques, en raison de leurs bonnes caractéristiques (temps de réponse rapide, faible distortion harmonique).

Sommaire

1 AO idéal
- 1.1 Caractéristiques
2 AO réel
- 2.1 Caractéristiques
- 2.2 Classification
3 Utilisations
- 3.1 Mode linéaire (Amplificateur)
- 3.2 Mode comparateur (ou saturé)
4 Quelques circuits très courants
5 Voir aussi
- 5.1 Lien interne
- 5.2 Liens externes

[modifier] AO idéal

En théorie, l'AO peut-être considéré comme parfait (ce qui signifie que les courants d'entrée sont nuls i⁺ = i^- = 0 dus à une résistance d'entrée infinie). Ce composant a deux entrées, une sortie.

[modifier] Caractéristiques

Gain en tension infini.
Impédance des entrées infinie.
Impédance de sortie nulle.
Bande passante de zéro hertz jusqu'à l'infini.
Vitesse de balayage infinie.
Puissance de bruit ou Facteur de bruit nuls.

[modifier] AO réel

Il présente deux limitations principales par rapport à un amplificateur idéal : la valeur du gain est finie et fonction de la fréquence et la tension de sortie est limitée par les tensions d'alimentation. L'expérience montre que la réponse en fréquence est pratiquement celle d'un système passe-bas du premier ordre dont le produit gain-bande passante est constant. De plus, lors d'une demande en courant, il y a une chute de tension due à la résistance de sortie (de l'ordre de plusieurs dizaines d'ohms, 50Ω environ), qui est calculable par le modèle équivalent de Thévenin.

[modifier] Caractéristiques

Bien évidemment un tel composant parfait n'existe pas, mais l'ampli op, suivant sa fabrication et les applications pour lesquelles il est conçu, voit certaines de ses propriétés s'approcher de celles du composant idéal. En général ce type d'ampli est alimenté par une alimentation symétrique.

[modifier] Classification

Ces amplificateurs ont une foule d'applications. Applications qui dépendent essentiellement de leurs caractéristiques les plus remarquables, citons pour exemple :

Amplificateur différentiel (R des entrées et rapport S/B).
Amplificateur très grand gain (R de l'ampli de sortie et rapport S/B).
Amplificateur suiveur (bande passante et rapport S/B).
Amplificateur d'erreur (R des entrées et bande passante).
Comparateur de tension (mode logique uniquement).
Oscillateur (mode logique généralement).
Filtre actif analogique.
Amplificateur inverseur de tension.
Amplificateur à résistance négative.

[modifier] Utilisations

Mode continu ou mode linéaire

Le choix du mode s'effectue par la différence des contre réactions des entrées e+ et e- sur la sortie s (impédance que l on notera Z+ et Z- en ohm).

Z- < Z+ : on est en régime linéaire
Z- ≥ Z+ : on est en régime commutation

[modifier] Mode linéaire (Amplificateur)

La remarque particulière pour ce mode est que les potentiels e+ et e- sont égaux

e+ = e-

Une fois cette donnée prise en compte pour les calculs de gain, la théorie la plus appropriée est l'utilisation de la relation de Millmann.

Supposons que l'on veuille rendre audible un signal de 500 millivolts sur un haut-parleur de 10 watts 4 ohms (impédance ou résistance).

Il suffit d'appliquer le signal à un amplificateur opérationnel de type TL 081 (caractérisé par un facteur d'amplification de 10), pour que la tension de sortie qui pilote le haut-parleur vale 10 fois la tension d'entrée.

On aura donc en sortie un signal de 5 volts sous 4 ohms.

[modifier] Mode comparateur (ou saturé)

Un AOP possède deux entrées repérées + et -.

Dans son mode opérateur logique, on utilise sa propriété de très grand gain [(Av) propre au composant signalé dans les caractéristiques constructeurs] pour comparer deux signaux.

Le facteur d'amplification n'est donc plus externe mais interne et l'on obtient :

Tension de sortie = Av.[(tension entrée +) - (tension entrée -)]

Il ne fonctionne plus en « amplification » traditionnelle, mais en tout ou rien logique ou comparateur de tension (car le coefficient d'amplication interne Av est très grand ; assimilé à la valeur infinie pour un AO idéal), c'est-à-dire qu'en sortie il n'y a que 2 états stables possibles :

Si l'entrée + est supérieure (en tension) à l'entrée - : la sortie = +Vsat.
Si l'entrée + est inférieure (en tension) à l'entrée - : la sortie = -Vsat.

Il s'agit en fait d'un fonctionnement « en boucle ouverte » ou sans contre réaction, c'est-à-dire sans contrôle du gain de l'amplificateur.

En théorie, lorsque les potentiels électriques des deux entrées sont strictement égaux, la tension de sortie devrait être nulle. En pratique, cet état n'est jamais atteint car il est extrêmement instable : le moindre déséquilibre interne à l'amplificateur ou la moindre variation de température suffit à provoquer le basculement de la sortie de l'amplificateur vers l'état saturé positif ou négatif.