WIKIPEDIA 2011 10 28_Amplificateur Operationnel

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Amplificateur oprationnel

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Amplificateur oprationnelUn amplificateur oprationnel (aussi dnomm ampli-op ou ampli op, AO, AOP[1] , ALI[2] ou AIL[3] ) est un amplificateur diffrentiel : c'est un amplificateur lectronique qui amplifie une diffrence de potentiel lectrique prsente ses entres. Il a t initialement conu pour effectuer des oprations mathmatiques dans les calculateurs analogiques : il permettait de modliser les oprations mathmatiques de base comme l'addition, la soustraction, l'intgration, la drivation et d'autres. Par la suite, l'amplificateur oprationnel est utilis dans bien d'autres applications comme la commande de moteurs, la rgulation de tension, les sources de courants ou encore les oscillateurs[4] ,[5] ,[6] ,[7] . Physiquement, un amplificateur oprationnel est constitu de transistors, de tubes lectroniques ou de n'importe quels autres composants amplificateurs. On le trouve communment sous la forme de circuit intgr.

Des amplificateurs oprationnels.

La reprsentation schmatique d'un amplificateur oprationnel varie suivant les pays.

Le gain en tension trs important d'un amplificateur oprationnel en boucle ouverte fait de lui un composant utilis dans une grande varit d'applications. Certains amplificateurs oprationnels, de par leurs caractristiques (temps de monte, faible distorsion harmonique,etc.), sont spcialiss dans l'amplification de certains types de signaux comme les signaux audio ou vido.

HistoriqueOn doit le terme d'amplificateur oprationnel (Operational Amplifier en anglais) John R. Ragazzini en 1947[8] ,[9] . Les amplificateurs oprationnels ont t initialement dvelopps l're des tubes lectroniques, ils taient alors utiliss dans les calculateurs analogiques. Actuellement, les amplificateurs oprationnels sont disponibles sous forme de circuits intgrs, bien que des versions sous forme de composants discrets soient utilises pour des applications spcifiques.

Le calculateur analogique ELWAT.

Amplificateur oprationnel Le premier AOP disponible en grande srie fut le K2-W de la socit GAP/R[10] en janvier 1953[11] ,[12] . l'poque, le K2-W tait vendu pour une vingtaine de dollars US[11] . Le premier AO intgr disponible en grande quantit, la fin des annes 1960, fut l'AOP bipolaire Fairchild A709, cr par Bob Widlar en 1965. En 1968, le A709 fut remplac par le A741 qui offrait de meilleures performances tout en tant plus stable et plus simple mettre en uvre[13] ,[14] . Bien qu'offrant des performances similaires celles de son principal concurrent le LM101 de National Semiconductor, le A741 est devenu un standard car il disposait en interne d'une capacit de compensation rendant ainsi le A741 plus simple utiliser que le LM101[14] . Le prix des AOP a beaucoup volu ses dbuts durant les annes 1960 : en 1963, le prdcesseur du A709, le A702, vaut entre 150 et 350$ (dollars amricains) ; en 1965, le A709 est mis en vente 70$ l'unit, mais son prix baisse vite pour atteindre 5$ en 1967 ; en 1969, le prix moyen d'un AOP tait de 2$ [15] . Ainsi, en six ans, le prix des AOP a t divis par plus de cent tandis qu'ils sont de plus en plus performants, robustes et simples d'utilisation.

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AO tubes K2-W.

Le A741 est encore fabriqu de nos jours et il est devenu omniprsent en lectronique. Plusieurs fabricants produisent une version amliore de cet AOP, reconnaissable grce au 741 prsent dans leur dnomination. Depuis, des circuits plus performants ont t dvelopps, certains bass sur des JFET (fin des annes 1970), ou sur des MOSFET (dbut des annes 1980). La plupart de ces AOP modernes peuvent se substituer un A741, dans un circuit de conception ancienne, afin d'en amliorer les performances. Les amplificateurs oprationnels sont disponibles sous des formats, brochages, et niveaux de tensions d'alimentation standardiss. Avec quelques composants externes, ils peuvent raliser une grande varit de fonctionnalits utiles en traitement du signal. La plupart des AOP standard ne cotent que quelques dizaines de centimes d'euro, mais un AOP discret ou intgr avec des caractristiques non-standard et de faible volume de production peut coter plus de 100euros pice.

Un A741 en botier TO5.

Les principaux fabricants d'amplificateurs oprationnels sont : Analog Devices, Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, STMicroelectronics et Texas Instruments[16] .

BrochageUn AOP dispose typiquement de deux entres, deux broches d'alimentation et une sortie. L'entre note e+ est dite non-inverseuse tandis que l'entre e- est dite inverseuse, ceci en raison de leur rle respectif dans les relations entre/sortie de l'amplificateur. La diffrence de potentiel entre ces deux entres est appele tension diffrentielle d'entre. La broche d'alimentation positive repre , parfois aussi appele , est parfois aussi appele estBrochage thorique d'un AOP

, ou VS+. La broche d'alimentation ngative repre

, ou VS. Le caractre doubl qui se trouve

en indice de la lettre V fait rfrence au nom de la broche du transistor laquelle cette alimentation sera gnralement relie[17] . Ainsi, les appellations et sont gnralement rserves aux AOP bipolaires (C pour Collecteur et E pour metteur) tandis que les appellations pour Source). et sont gnralement rserves aux AOP effet de champ (D pour Drain et S

Amplificateur oprationnel Suivant les applications, l'AOP peut aussi tre dot de deux broches pour la compensation d'offset ainsi que d'une broche pour le rglage de la compensation frquentielle. Il existe des AOP possdant une sortie diffrentielle. De tels amplificateurs possdent deux broches de sorties ainsi que quatre broches d'alimentation afin de pouvoir raliser une isolation galvanique entre l'entre et la sortie. Ces amplificateurs sont aussi appels amplificateurs d'isolement .

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Amplificateur oprationnel parfaitLa notion d'amplificateur oprationnel parfait ou idal permet de raisonner sur le fonctionnement thorique de l'amplificateur oprationnel en s'affranchissant des phnomnes parasites et des limitations inhrents la ralit technologique des composants. Les progrs raliss depuis les premiers AOP tendent, par l'amlioration constante des performances, se rapprocher du modle de l'AOP parfait. L'amplificateur oprationnel parfait possde une impdance Caractristique entre sortie d'un amplificateur d'entre, un gain en mode diffrentiel, une vitesse de balayage et oprationnel parfait une bande passante infinies alors que son gain de mode commun et sa rsistance de sortie sont nuls. De plus, il n'a pas de tension d'offset ni de courant de polarisation[18] ,[19] . En ralit le gain diffrentiel d'un amplificateur oprationnel variant fortement en fonction de la frquence, il est courant de le considrer comme infini afin de simplifier les calculs[18] . Il est aussi possible de considrer le gain d'un amplificateur oprationnel comme tant celui d'un intgrateur pur[20] afin de se rapprocher du comportement rel de l'amplificateur. Ces caractristiques traduisent le fait que l'amplificateur oprationnel parfait ne perturbe pas le signal qu'il va amplifier et que sa tension de sortie dpend uniquement de la diffrence de tension entre ses deux entres. La prsence d'un gain diffrentiel infini implique que la moindre diffrence de potentiel entre les deux entres de l'amplificateur l'amnera saturer. Si l'on ne dsire pas que la tension de sortie de l'amplificateur soit uniquement limite Vsat suivant le signe de la diffrence de potentiel entre les deux entres de l'amplificateur, l'utilisation d'une contre-raction ngative est obligatoire. La contre-raction sur l'entre inverseuse (ou contre-raction ngative) d'un AOP permet de soustraire une partie du signal de sortie au signal d'entre de l'amplificateur. Grce cette soustraction, la contre-raction ngative permet de garder une diffrence de potentiel nulle en entre de l'amplificateur. On parle alors de mode linaire car on peut faire varier la tension de sortie entre + et - Vsat suivant la tension applique en entre de l'amplificateur. L'absence de contre-raction ou une contre-raction sur l'entre non-inverseuse (ou raction positive) de l'AOP amnera l'amplificateur en saturation positive ou ngative suivant le signal appliqu en entre. On parle alors de mode comparateur (ou satur).

Amplificateur oprationnel

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Mode linaire - Application un amplificateur non-inverseurPour cette tude, l'amplificateur oprationnel utilis est considr parfait et fonctionne en mode linaire car il utilise une contre-raction sur l'entre inverseuse de l'AOP. La contre-raction sur l'entre inverseuse permet d'effectuer une contre-raction ngative : toute augmentation de la tension de sortie va diminuer la tension diffrentielle d'entre de Montage amplificateur non-inverseur l'AOP. Ainsi, la diffrence de tension entre les deux entres de l'amplificateur est maintenue zro. De plus, l'impdance d'entre tant infinie, aucun courant ne circule dans ces entres. On retrouve donc la tension Ve en sortie du pont diviseur de tension non charg form par R2 et R1. On obtient alors :

et donc :

Mode satur - Application un comparateur deux seuils inverseurPour cette tude, on considrera que l'amplificateur oprationnel utilis est parfait, et qu'il fonctionne en mode comparateur car il utilise une contre-raction sur l'entre non-inverseuse de l'AOP. La contre-raction sur l'entre non-inverseuse permet d'effectuer une contre-raction positive : toute augmentation de la tension de sortie va augmenter la tension diffrentielle d'entre de l'AOP. Le gain diffrentiel de l'amplificateur tant infini, la tension de sortie Vs ne peut valoir que +Vcc ou -Vcc suivant le signe de la tension diffrentielle Vdiff.

Trigger de Schmitt non-inverseur

Amplificateur oprationnel

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La tension Ve, annulant la tension diffrentielle Vdiff, vaut donc :

Courbe entre sortie d'un trigger de Schmitt.

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