Qu’est-ce qu’un amplificateur opérationnel et comment ça marche ?

Un amplificateur opérationnel (ampli-op) est un composant électronique polyvalent et largement utilisé qui joue un rôle crucial dans les circuits de traitement et d’amplification du signal analogique. Il s’agit d’un amplificateur de tension à gain élevé avec des entrées différentielles et une sortie unique. Les amplificateurs opérationnels se caractérisent par leur capacité à amplifier la différence de tension entre les deux bornes d’entrée.

Caractéristiques clés d’un amplificateur opérationnel :

Entrées différentielles :
- Les amplificateurs opérationnels disposent de deux bornes d’entrée, généralement appelées entrées inverseuses (-) et non inverseuses (+). La différence de tension entre ces entrées détermine la sortie de l’amplificateur.
Impédance d’entrée élevée :
- Les amplificateurs opérationnels ont généralement une impédance d’entrée très élevée, ce qui signifie qu’ils consomment un courant minimal de la source du signal d’entrée.
Faible impédance de sortie :
- Les amplificateurs opérationnels ont une faible impédance de sortie, ce qui leur permet de fournir un courant relativement élevé à la charge connectée.
Gain élevé en boucle ouverte :
- Le gain en boucle ouverte d’un ampli opérationnel est extrêmement élevé, dépassant souvent 100 000. Cela signifie que même de petites différences de tension aux entrées peuvent conduire à des tensions de sortie élevées.
Signaux différentiels et de mode commun :
- Les amplificateurs opérationnels amplifient la différence entre les entrées inverseuses et non inverseuses (mode différentiel) tout en rejetant les signaux de mode commun (signaux présents sur les deux entrées avec la même tension).
Commentaires négatifs :
- Les retours négatifs sont une caractéristique courante dans les circuits d’amplis opérationnels. Cela implique de renvoyer une partie du signal de sortie à l’entrée inverseuse. Le feedback négatif stabilise les performances de l’amplificateur, réduit la distorsion et améliore la linéarité.

Circuits internes :

Les circuits internes d’un ampli opérationnel peuvent inclure les composants suivants :

Amplificateur différentiel :
- Le cœur d’un ampli opérationnel est un amplificateur différentiel, qui amplifie la différence de tension entre les entrées inverseuses et non inverseuses.
Étage à gain élevé :
- Un étage à gain élevé amplifie encore la tension différentielle. Cet étage contribue au gain global élevé en boucle ouverte de l’ampli-op.
Étape de sortie :
- L’étage de sortie est chargé de transmettre le signal amplifié au circuit externe. Il inclut souvent une configuration push-pull pour une livraison de courant efficace.
Réseau de rémunération :
- Des réseaux de compensation internes sont utilisés pour stabiliser l’ampli opérationnel et empêcher les oscillations à haute fréquence.

Modes d’amplificateur opérationnel :

Amplificateur inverseur :
- Dans cette configuration, la sortie est inversée par rapport au signal d’entrée. Ceci est obtenu en connectant le signal d’entrée à l’entrée inverseuse (-) et en fournissant un retour de la sortie à l’entrée inverseuse.
Amplificateur non inverseur :
- Le signal de sortie est en phase avec le signal d’entrée dans cette configuration. L’entrée est connectée à l’entrée non inverseuse (+) et le retour est appliqué de la sortie à l’entrée inverseuse.
Comparateur :
- En mode comparateur, l’ampli-op est utilisé pour comparer deux tensions d’entrée. La sortie bascule entre les états haut et bas en fonction des amplitudes relatives des entrées.
Intégrateur et différenciateur :
- En utilisant des composants supplémentaires, les amplificateurs opérationnels peuvent être configurés comme intégrateurs ou différenciateurs pour effectuer des opérations mathématiques sur les signaux d’entrée.

Fonctionnement :

Différence d’entrée :
- L’ampli-op amplifie la différence de tension entre ses entrées inverseuses et non inverseuses.
Tension de sortie :
- La tension de sortie (�outVout) est proportionnelle à la différence de tension d’entrée (�in, diffVin, diff) multipliée par le gain en boucle ouverte (�OLAOL).
�out=�OL⋅�in, diffVout=AOL⋅Vin, diff
Commentaires négatifs :
- Dans les circuits avec rétroaction négative, une partie de la tension de sortie est renvoyée vers l’entrée inverseuse. Ce retour, lorsqu’il est correctement conçu, stabilise le circuit, définit le gain en boucle fermée et garantit un fonctionnement linéaire.

Applications :

Les amplificateurs opérationnels trouvent des applications dans divers circuits électroniques, notamment :

Amplificateurs : utilisés pour l’amplification du signal.
Filtres : utilisés dans les circuits de filtres actifs.
Comparateurs : utilisés pour la comparaison des signaux.
Oscillateurs : utilisés dans les oscillateurs pour la génération de signaux.
Opérations mathématiques : configurées comme intégrateurs et différenciateurs pour les opérations mathématiques.

Conclusion :

Les amplificateurs opérationnels sont des éléments fondamentaux de l’électronique analogique, offrant un gain élevé, des fonctionnalités polyvalentes et une compatibilité avec la rétroaction négative pour un fonctionnement stable. Leur utilisation répandue dans diverses applications en fait la pierre angulaire de la conception de circuits électroniques. Comprendre les principes de fonctionnement de l’ampli-op est crucial pour la conception et l’analyse de circuits analogiques.