Amplificateur Opérationnel (A.O)
Hugues OttMaître de Conférences à l’IUT Robert Schuman Université de Strasbourg
Département Chimie
• L’amplificateur opérationnel (A.O.) est apparu en 1965. • il fut appliqué d’abord à la résolution d’opérations mathématiques
• L’AO est un circuit intégré (C.I.) • volume - facilité de montage - faible consommation - performance• faible longueur de connexion accroissement vitesse de réponse• Loi de Moore: tous les 18 mois la puissance est multipliée par 2
• Applications• Générateurs de signaux• Amplification de signaux• Instruments de mesures• Filtrage
Généralités
E+
E-
S-
+
Représentation anglo-saxonne la plus courante
E+
E-S-
+
Représentation européenne
Représentation
E+
E-
S-
+
E- entrée inverseuse
S sortie
uE+
E+ entrée non inverseuse
uE-
E- entrée inverseuse
E+ entrée non inverseuse
Alim+VCC
Alim-VCC
5 bornes
uS
S sortie
non représentées sur le schéma
alimentation stabilisée
2 bornes Alimentation
2 Entrées1 Sortie
Généralement
VCC = +15V
-VCC=-15V
Branchement
Un AO comprend des transistors,
vE+ vE-
vs
+Valim
-Valim
Descriptif Valim-
Valim+
1
-
+
2 3 4
5678S
masse
résistances
condensateurs
Une alimentation
Brochage AO 741
C’est un amplificateur différentielIl amplifie la différence des signaux d’entrée
us
uE+ - uE-
+e
-e
Umax
umin
Il ne peut amplifier que des différences de tensions très faibles en boucle ouverteNécessité d’une contre réaction
Une boucle de contre réaction assure automatiquement un fonctionnement linéaire de l’A.O
Ad gain différentiel en boucle
ouverteAd 105
EEds uuAu
E+
E-
S-
+Système bouclé
contre réaction
E+
E-
S-
+
Système boucléréaction positive
E+
E-
S-
+Système bouclécontre réaction
E+
E-
S-
+
Système boucle ouverte
Caractéristiques
Un Amplificateur Différentiel à : courant continu grand gain en boucle ouverte (104 à 105 ) le gain dépend de la
fréquence grande impédance d’entrée (Ze= 108W à 1012W)
impédance de sortie faible (Zs qques dizaines d’Ohms) large bande passante débutant aux très basses fréquences le bruit de fond et les dérives sont maintenus faibles par
contre-réaction
courant d’entrée très faible (10-10A)
uS
S-
+
uE+
uE-
A (uE+ - uE- )
Zei+
i-
Zs
105
Amplificateur opérationnel réel
uS
S-
+
uE+
uE-
A (uE+ - uE- )
Zei+
i-
Zei+
i-
i+
i-
i+
i-
uS
S-
+
uE+
uE-
Ze
Zs
L ’AO idéal est un modèle qui permet d’interpréter les propriétés du montage
Zs = qques dizaines Ohms
i+
i-
uS
S-
+
uE+
uE-
A (uE+ - uE- )
Ze
Zs
i+=i-= 10-10A
Ze= 108W à 1012W
Ad = 105
Zs = 0 Ad =
Ze=
i+=i-= 0
=A (uE+-uE- )
uE+ = uE-
=0
=0
fini
0
A.O. réel A.O. idéal
La tension de sortie est proche de la tension d ’alimentation
Usortie < U
alim
uE+
uE-
uS
S-
+i+
i-
1e loi
2e loi
3e loi
i+ = i- = 0
VE+ = VE-
Résumé A.O. idéal
Système en boucle ouverte Absence de branchement entre la sortie et les entrées
E+
E-
S-
+
Système boucle ouverte
Comparateur de tension
us
uE+ > uE-
satlima UU
limasat UU
Réaction et contre réaction
uE+ < uE-
Contre réaction
E+
E-
S-
+
Fonctionnement
linéaire
Réaction positive
E+
E-
S-
+
Fonctionnent
saturation
Réaction mixte
E+
E-
S-
+
Fonctionnement
linéaire
Système bouclé
Une partie du signal de sortie est réinjectée sur une entrée.
Définition :Gain complexe
e
s
u
uG
Gain réel e
s
u
uGG
Gain en décibels
La phase de la tension de sortie par rapport à la tension d’entrée
Garg)(
Diagramme de Bode
)f(logfu
ulogG
e
sdB 20
en fonction de log (f) : f(f)
e
s
dB u
ulog20Glog20G
Filtrage
A BR
ABU
V
BAI
BAAB I.R BA VV
Loi d’Ohm
> uE-< uE-
uE+
-
+
SE-
E+
us
uE-
bouclé
ouvertSystème
+Usat-Usat
Montage comparateur
Réaction positive Contre réaction Réaction mixte
bouclé ouvert
-
+
SE-
E+
usuE
Système
Existence d ’une
Fonctionnement
V
su
EE VV
linéaire saturation
eu
Montage suiveur
E+
E-
S-
+
R2
R1
Montage :
V
i
i0ii
EE VV
us
V
Su ES2 I.R )i.(R 2 i.R 2
ue
eu i.R1
e
S
u
u
iR
iR
1
2
1
2
R
R
inverseuramplificateur
R2= 10kW
R1=1kWue=0,3V
V15uS
V3uS
R2= 10kW
R1=1kWue=3V
Montage amplificateur inverseur
E+
E-
S-
+
Montage :
V
i0ii
EE VV
us
Su MSMS I.R i.RR 12
ue
eu i.R1
e
S
u
u iR
iRR
1
21
non inverseur
i
12 RR
i
1
2
R
R1
amplificateur
V
Montage amplificateur non inverseur
E+
E-
S-
+
Ri 0ii
EE VV
Su ESI.R )i.(R i.R
ue
C
q
C
q
i
us
dt
duC e
dt
dqi
eu.Cq dt
u.Cd e
dt
du.C.Ru e
S
eu
Montage dérivateur
E+
E-
S-
+
R
i 0ii
EE VV
ue
eu
C
q
i
us
dtu.C.R
1u eS
-q
R
ui ei.R
i dt.iq dt.R
uq e dt.u
R
1q e
SuC
q
dt
dq
dt.uR
1eC
1
Montage intégrateur
E+
E-
S-
+
Montage :
i
0ii
EE VVue
1
sommateur
us
R3
R2
R1i2
i3
i1R
ue
3
Su ESI.R )i.(R i.R
ue
2
321 iiii
i
RRRR 321 3e2e1e uuu
R
1i
inverseur 3e2e1eS uuuu
i1+ i2+ i3
1
1e11e R
uiu
1
1e11 R
ui.R
1
1e1 R
ui
2
2e22e R
uiu
1
1e22 R
ui.R
2
2e2 R
ui
3
3e33e R
uiu
3
3e333 R
uii.R
3
3e3 R
ui
3
3e
R
u
1
1e
R
u
2
2e
R
u
Montage sommateur inverseur
E+
E-
S-
+
R2
R1
i1
i1
0ii
R3
us
u2 R4
uE-
i2
i2
R3
R4uE+
u2
i2
i2
RRRRR 4321
2
u
2
uu 2S1
12S uuu
1u 11 i.R Eu 11 i.R E1 uu1
E11 R
uui
R
uui E11
Eu 12 i.R Su 12 i.R SE uu 2
SE1 R
uui
R
uui SE1
Eu 24 i.R43
24 RR
u.R
2
u 2Pont diviseur R2
u.R 2
SEE1 uuuu S1E uuu2
uE-
EE uu
2
uuu S1E
u1
Montage soustracteur
SE+
E-
-
+
Z2
Z1
usue
1
2
e
S
Z
Z
u
u
SE+
E-
-
+
R
usue
R
C
RZR
jC
1ZC
CR
CR2 ZZ
Z.ZZ
jC
1R
jC
1.R
Z2
jRC1
1
u
u
e
S
RZ1
jRC1
.RZ2
jCw
jCw
R
jRC1
R
u
u
e
S
Filtre…
jRC1
1
u
u
e
S
SE+
E-
-
+
R
usue
RZ1
jRC1
.RZ2
e
s
u
uG
e
s
u
uG
2
1
z
zz
2dB RC1log20G 0quand
212dB RC1log20G
2dB RC1log10G RC
1quand
RC
1quand
1log10G dB
2log10G dB
2dB RClog10G
jRC1
1
2RC1
1
2
1
z
zz
22 baz
jbaz
2dB
RC1
1Glog20G
2RC1
1log20
2RC1
1
0G dB
3G dB
RClog20G dB
GdB =f(logw) : droite de pente -20
RClog20log20G dB
Filtre : suite…
GdB
0 logw
-3
Bande passante atténuation - 3dB
20pentedteRC
1
3GRC
10G0
dB
dB
RC
1
Filtre passe bas
SE+
E-
-
+
Z2
Z1
usue
1
2
e
S
Z
Z
u
u
SE+
E-
-
+
R
CR1 Z.ZZ
RZ2
jC
1R
R
u
u
e
S
RC
RZR jC
1ZC
usue
jC
1.RZ1
1jRC
jRC
u
u
e
S
Filtre : suite…
jRC1
jRC
u
u
e
S
e
s
u
uG
e
s
u
uG
2
1
z
zz
0quand
RC
1quand
RC
1quand
RClog20G dB
2
1log20G dB
2dB
RC
RClog10G
jRC1
jRC
2RC1
RC
2
1
z
zz
22 baz
jbaz
2dB
RC1
1Glog20G
2RC1
1log20
2RC1
RC
GdB =f(logw) : droite de pente +20
usue
SE+
E-
-
+
R
RZ2
jC
1.RZ1
RClog20log20
2/12log20 3
01log10
2/12
1log20 2log10
Filtre : suite…
GdB
0 logw
-3Bande passante atténuation -
3dB
0GRC
1
3GRC
120pentedte0
dB
dB
RC
1
Filtre passe haut
SE+
E--
+
Z2
Z1
usue
1
2
e
S
Z
Z
u
u
SE+
E--
+us
ue
R
C
RC
RZR
jC
1ZCZ2
CR
CR2 ZZ
Z.ZZ
jC1
R
jC1
.RZ2
jRC1
RZ2
CR1 ZZZ
RZR jC
1ZC
jC
1RZ1
jC1
R
jRC1R
u
u
e
S
Filtre : suite…
2
2e
S
)RC(1
jRC
jRC1
jC.
jRC1
R
jC
jRC1jRC1
R
jC
1R
jRC1
R
u
u
2)RC(1
jRC
jRC1
jC.
jRC1
R
jCjRC1jRC1R
2)RC(1
jRC
jRC1
jC.
jRC1R
2jRC1
jRC
e
s
u
uG
RC
2RC1
2RC1
1RCquand GRC
1RC )RClog(20G
dB RClog20log20
GdB =f(logw) : droite de pente +20
1RCquand GRC
1
RC
1
RC
1log20G
dBRClog20log20
GdB =f(logw) : droite de pente -20
1RCquand GRC
1
2
1
2
1log20G
dB dB62log20
1
11 2
1
Filtre : suite…
GdB
0 logw
Filtre passe bande
-6
RC
1
20pentedteRC
1 20pentedte
RC
1dB6G
RC
1
-9
Filtre passe bande