L’AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL

On doit le terme d'amplificateur opérationnel à John R. Ragazzini en 1947. Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés à l'ère des tubes électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques.

Les amplificateurs opérationnels sont représentés par le symbole du triangle muni de deux entrées, identifiées par les signes « + » et « – » et d’une sortie, située à la pointe du triangle.

À l’intérieur de ce « triangle » se trouve un circuit électronique très complexe, composé de 15 ou 17 transistors ou FET, ainsi que de toutes les résistances de polarisation. Il suffit donc, pour faire fonctionner les amplificateurs opérationnels, de leur ajouter quelques résistances externes.

Les amplis op peuvent servir de préamplificateurs, mais ils peuvent également être utilisés comme comparateurs, redresseurs, mélangeurs, oscillateurs ou filtres BF. C’est pour cela qu’une fois que vous aurez compris comment les deux broches d’entrée interagissent sur le fonctionnement du circuit, vous découvrirez qu’il est plus simple de polariser et d’utiliser un opérationnel plutôt qu’un transistor.

Bien que pratiquement tous les opérationnels soient conçus pour être alimentés à l’aide d’une tension double, il est aussi possible de le faire avec une tension unique, en ajoutant seulement deux résistances et un condensateur électrolytique au circuit électrique.

Les amplificateurs opérationnels sont des circuits intégrés qu’il convient d’étudier consciencieusement car, une fois qu’on a compris leur fonctionnement, il est alors possible, à l’aide de quelques résistances et de quelques condensateurs, de réaliser de très fiables :

Préamplificateurs BF
Amplificateurs différentiels
Comparateurs de tension
Mélangeurs de signaux BF
Oscillateurs basse fréquence
Filtres passe-bas, passe-haut, …
Convertisseurs courant/tension
Générateurs de courant constant
Redresseurs de signaux BF
Régulateur de tension
régulateur de courant
etc.

Pour commencer, il faut savoir qu’à l’intérieur de ces circuits intégrés se trouve un circuit électronique très complexe, que vous retrouverez représenté sur la figure suivante.

Dans tous les schémas électriques, ces amplificateurs opérationnels sont représentés à l’aide du symbole graphique d’un triangle.

Deux broches d’entrées se trouvent d’un même côté de la base du triangle, l’une étant indiquée à l’aide du signe « + » et l’autre, à l’aide du signe « – ». A l’opposé, c’est-à-dire au sommet du triangle, se trouve la broche de sortie.

Vous comprendrez bientôt la raison pour laquelle la broche signalée par le signe « + » est appelée l’entrée « non inverseuse », tandis que celle signalée par le « – » est appelée « entrée inverseuse ».

Dans les schémas électriques, il est rare que les deux broches d’alimentation soient indiquées. Ces broches sont, en général, données repérées par +V et –V sur le schéma de brochage de l’ampli op pour indiquer qu’il faut l’alimenter à l’aide d’une tension double, c’est-à-dire avec une tension positive et une tension négative par rapport à la masse.

Au début, on commet souvent l’erreur de relier la broche +V à la tension positive d’alimentation et la broche –V à la masse. La conséquence est simple : l’amplificateur opérationnel ne fonctionnera pas !

Signalons que tous les opérationnels peuvent également être alimentés par une tension unique. Pour cela, il suffit, comme nous le verrons plus loin, de modifier le circuit.

Les broches d’entrée « + » et « – »

Pour comprendre comment les deux broches « + » et « – » interagissent sur le fonctionnement d’un opérationnel, imaginons qu’on prenne un triangle et qu’on le fixe sur un mur avec une punaise en son centre de gravité, de façon que sa pointe se trouve en position horizontale.

Si l’opérationnel est alimenté par une tension double, avec la pointe en position horizontale, on trouvera une tension de 0 volt par rapport à la masse sur la broche de sortie.

Entrée avec le signe « + »

En admettant que l’opérationnel soit alimenté par une tension double de 12 + 12 volts, si on applique une tension positive sur la broche non inverseuse « + », la pointe du triangle déviera vers la tension positive des 12 volts.

Si on applique une tension négative sur cette même broche « + », la pointe du triangle déviera vers la tension négative des 12 volts.

Étant donné que la polarité du signal appliqué sur cette entrée « + » est récupérée sans inversion sur la broche de sortie, cette entrée est appelée « non inverseuse ». Le schéma électrique d’un étage amplificateur utilisant l’entrée non inverseuse.

nous avons relié un voltmètre avec 0 central sur la broche de sortie de l’ampli op,
nous avons relié la résistance R1 vers la masse sur la broche d’entrée « non inverseuse » (+),
nous avons relié, sur la sortie « inverseuse » (–), la résistance R2 vers la masse, ainsi qu’une seconde résistance, référencée R3, reliée entre cette broche et la broche de sortie.

Si aucune tension n’est appliquée sur l’entrée « + », l’aiguille du voltmètre reste immobile au centre de l’échelle parce qu’une tension de 0 volt se trouve sur la broche de sortie.

Si on applique une tension positive sur l’entrée « + », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 12 volts positifs de l’alimentation.

Si on applique une tension négative sur l’entrée « + », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 12 volts négatifs de l’alimentation.

Si on applique un signal alternatif sur l’entrée « + », on prélèvera, sur la broche de sortie, des sinusoïdes amplifiées dont la polarité ne sera pas inversée.

Entrée avec le signe « – »

En admettant que l’opérationnel soit toujours alimenté par une tension double de 12 + 12 volts, si on applique une tension positive sur la broche inverseuse « – », la pointe du triangle dévie vers la tension négative des 12 volts.

Si on applique une tension négative sur cette même broche « – », la pointe du triangle dévie vers la tension positive des 12 volts.

En appliquant une tension positive sur cette entrée « – », on obtient une tension négative en sortie et en appliquant une tension négative, on obtient une tension positive. Étant donné que la polarité du signal appliqué sur cette entrée « – » est récupérée inversée sur la broche de sortie, cette entrée est appelée « inverseuse ». Le schéma électrique d’un étage amplificateur utilisant l’entrée inverseuse.

nous avons à nouveau relié un voltmètre avec 0 central sur la broche de sortie,
nous avons relié la broche d’entrée non inverseuse « + » à la masse, sans la résistance R1,
nous avons relié la sortie inverseuse « – » au connecteur d’entrée du signal par l’intermédiaire de la résistance R2, en laissant toujours la résistance R3 reliée entre cette broche et la broche de sortie.

Si aucune tension n’est appliquée sur l’entrée « – », l’aiguille du voltmètre reste immobile au centre de l’échelle parce qu’une tension de 0 volt se trouve sur la broche de sortie.

Si on applique une tension positive sur l’entrée « – », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 12 volts négatifs de l’alimentation.

Si on applique une tension négative sur l’entrée « – », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 12 volts positifs de l’alimentation.

Si on applique un signal alternatif sur l’entrée « – », on récupère, sur la broche de sortie, des sinusoïdes amplifiées dont la polarité est inversée.

Alimentation unique

Pour alimenter un opérationnel à l’aide d’une tension unique, on devra alimenter les deux broches d’entrée « + » et « – » à l’aide d’une tension qui soit exactement la moitié de celle d’alimentation.

Pour obtenir cette moitié de tension, il suffit de relier entre le positif et la masse d’alimentation deux résistances de 10 000 ohms reliées en série, et d’utiliser ensuite la jonction centrale des deux résistances comme masse fictive pour relier les résistances d’entrée.

Si on alimente l’opérationnel avec une tension unique de 12 volts et qu’on relie ensuite un multimètre sur le point de jonction entre les deux résistances et les deux extrémités de la pile de 12 volts, on lira, d’un côté 6 volts positifs et du côté opposé 6 volts négatifs, obtenant ainsi, de manière artificielle, une tension double de 6 + 6 volts.

Si aucune tension n’est appliquée sur l’entrée « + », l’aiguille du voltmètre reste immobile au centre de l’échelle parce qu’une tension de 0 volt, par rapport à la masse fictive, se trouve sur la broche de sortie.

Si on applique une tension positive sur l’entrée « + », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 6 volts positifs de l’alimentation.

Si on applique une tension négative sur l’entrée « + », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 6 volts négatifs de l’alimentation.

Si on applique un signal alternatif sur l’entrée « + », on trouvera alors, en sortie, des sinusoïdes amplifiées dont la polarité n’est pas inversée.

Important : Si le voltmètre était relié entre la broche de sortie et la masse, c’est-à-dire là où est relié le négatif de la pile de 12 volts, on lirait la moitié de la tension, c’est-à-dire 6 volts.

Entrée avec le signe « – » avec une alimentation unique

Si aucune tension n’est appliquée sur l’entrée « – », l’aiguille du voltmètre reste immobile au centre de l’échelle parce qu’une tension de 0 volt, par rapport à la masse fictive, se trouve sur la broche de sortie.

Si on applique une tension positive sur l’entrée « – », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 6 volts négatifs de l’alimentation.

Si on applique une tension négative sur l’entrée « – », l’aiguille du voltmètre dévie vers les 6 volts positifs de l’alimentation.

Si on applique un signal alternatif sur l’entrée « – », on trouvera, sur la broche de sortie, des sinusoïdes amplifiées dont la polarité sera inversée.

Les avantages d’un opérationnel

Les amplificateurs opérationnels présentent beaucoup d’avantages par rapport aux transistors et aux FET.

Gain

Si on fait varier la valeur ohmique d’une seule résistance, il est possible de modifier le gain.

En fonction de nos exigences, on pourra prédéfinir un gain de 2, 5, 10, 20 ou 100 fois et avoir la certitude que celui-ci reste constant, même si la tension d’alimentation varie.

Si on a prédéfini un gain de 25 fois, l’opérationnel amplifiera n’importe quel signal appliqué sur l’une des deux entrées 25 fois, qu’elle soit alimentée par une tension double de 9 + 9, 12 + 12, 15 + 15 ou 20 + 20 volts ou par une tension unique de 9, 12, 15 ou 20 volts.

Haute impédance d’entrée

Tous les opérationnels ont une impédance d’entrée élevée, ce qui permet de pouvoir les relier à n’importe quelle source sans qu’intervienne une atténuation du signal.

Basse impédance de sortie

Tous les opérationnels ont une faible impédance de sortie, ce qui permet de pouvoir les relier à l’entrée de l’étage suivant sans aucun problème, ni d’adaptation, ni d’atténuation.

Large bande passante

Un opérationnel est capable de préamplifier un signal de 0 Hz jusqu’à plus de 100 kHz, ce qui signifie qu’il est très fiable pour réaliser des étages préamplificateurs Hi-Fi.

Le signal à préamplifier peut être appliqué, soit sur l’entrée non inverseuse soit sur l’entrée inverseuse.

Si on applique le signal sur l’entrée non inverseuse, on prélèvera, en sortie, un signal qui aura les demi-ondes positives et négatives parfaitement en phase avec le signal d’entrée.

Si on applique le signal sur l’entrée inverseuse, on prélèvera, en sortie, un signal qui aura les demi-ondes positives et négatives en opposition de phase par rapport au signal d’entrée.