Amplificateur opérationnel

Un amplificateur opérationnel ou op amp est un amplificateur de tension à couplage continu avec un gain de tension très élevé.

L'op amp est fondamentalement un amplificateur multistage dans lequel plusieurs étages d'amplification sont interconnectés de manière très complexe. Son circuit interne comprend de nombreux transistors, FET et résistances. Tout cela occupe très peu d'espace.
Ainsi, il est emballé dans un petit boîtier et est disponible sous forme de Circuit Intégré (CI). Le terme Op Amp est utilisé pour désigner un amplificateur qui peut être configuré pour effectuer diverses opérations comme l'amplification, la soustraction, la différentiation, l'addition, l'intégration, etc. Un exemple est le très populaire CI 741.

Le symbole et son apparence réelle sous forme de CI sont montrés ci-dessous. Le symbole apparaît sous la forme d'une flèche qui signifie que le signal circule de la sortie vers l'entrée.

Entrées et sorties d'un amplificateur opérationnel

Un op amp a deux entrées et une sortie. L'op amp a également deux bornes d'alimentation en tension, comme on peut le voir ci-dessus. Les deux entrées forment une entrée différentielle. Nous appelons la borne marquée par un signe négatif (-) l'entrée inverseuse et la borne marquée par un signe positif (+) l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel. Si nous appliquons un signal d'entrée à la borne inverseuse (-), alors le signal de sortie amplifié sera déphasé de 180o par rapport au signal d'entrée appliqué. Si nous appliquons un signal d'entrée à la borne non inverseuse (+), alors le signal de sortie obtenu sera en phase, c'est-à-dire qu'il n'y aura pas de déphasage par rapport au signal d'entrée.

Alimentation d'un amplificateur opérationnel

Comme on peut le voir sur le symbole du circuit, il a deux bornes d'alimentation en entrée +VCC et –VCC. Pour le fonctionnement d'un op amp, une alimentation DC à double polarité est essentielle. Dans l'alimentation à double polarité, nous connectons +VCC à l'alimentation positive DC et la borne –VCC à l'alimentation négative DC. Cependant, certains op amps peuvent également fonctionner avec une alimentation à simple polarité. Notez qu'il n'y a pas de borne commune de masse dans les op amps, donc la masse doit être établie externement.

Principe de fonctionnement de l'op amp

Fonctionnement en boucle ouverte d'un amplificateur opérationnel

Comme mentionné ci-dessus, un op amp a une entrée différentielle et une sortie monopolaire. Ainsi, si nous appliquons deux signaux, l'un à l'entrée inverseuse et l'autre à l'entrée non inverseuse, un op amp idéal amplifiera la différence entre les deux signaux d'entrée appliqués. Nous appelons cette différence entre les deux signaux d'entrée la tension d'entrée différentielle. L'équation ci-dessous donne la sortie d'un amplificateur opérationnel.Où VOUT est la tension à la borne de sortie de l'op amp. AOL est le gain en boucle ouverte pour l'op amp donné et est constant (idéalement). Pour le CI 741, AOL est 2 x 105.
V1 est la tension à la borne non inverseuse.
V2 est la tension à la borne inverseuse.
(V1 – V2) est la tension d'entrée différentielle.
Il est clair de l'équation ci-dessus que la sortie ne sera non nulle que si et seulement si la tension d'entrée différentielle est non nulle (V1 et V2 ne sont pas égaux), et sera nulle si V1 et V2 sont égaux. Notez que ceci est une condition idéale, en pratique, il y a de petites imperfections dans l'op amp. Le gain en boucle ouverte d'un op amp est très élevé. Ainsi, un op amp en boucle ouverte amplifie une petite tension d'entrée différentielle à une valeur très élevée.
De plus, il est vrai que si nous appliquons une petite tension d'entrée différentielle, l'amplificateur opérationnel l'amplifie à une valeur considérable, mais cette valeur significative à la sortie ne peut pas dépasser la tension d'alimentation de l'op amp. Ainsi, cela ne viole pas la loi de conservation de l'énergie.

Fonctionnement en boucle fermée

Le fonctionnement de l'op amp expliqué ci-dessus était en boucle ouverte, c'est-à-dire sans rétroaction. Nous introduisons la rétroaction dans la configuration en boucle fermée. Ce chemin de rétroaction alimente le signal de sortie à l'entrée. Ainsi, aux entrées, deux signaux sont simultanément présents. L'un d'eux est le signal d'entrée original, et l'autre est le signal de rétroaction. L'équation ci-dessous montre la sortie d'un op amp en boucle fermée.Où VOUT est la tension à la borne de sortie de l'op amp. ACL est le gain en boucle fermée. Le circuit de rétroaction connecté à l'op amp détermine le gain en boucle fermée ACL. VD = (V1 – V2) est la tension d'entrée différentielle. On dit que la rétroaction est positive si le chemin de rétroaction alimente le signal de la borne de sortie à la borne non inverseuse (+). La rétroaction positive est utilisée dans les oscillateurs. La rétroaction est négative si le chemin de rétroaction alimente une partie du signal de la borne de sortie à la borne inverseuse (-). Nous utilisons la rétroaction négative pour les op amps utilisés comme amplificateurs. Chaque type de rétroaction, négative ou positive, a ses avantages et inconvénients.

Rétroaction positive ⇒ Oscillateur
Rétroaction négative ⇒ Amplificateur
L'explication ci-dessus est le principe de fonctionnement le plus basique des amplificateurs opérationnels.

Caractéristiques d'un op amp idéal

Un op amp idéal devrait avoir les caractéristiques suivantes :