Comment fonctionne l'amplificateur opérationnel (O- Pamp)

Comment fonctionne un amplificateur opérationnel ?

Un amplificateur opérationnel (Op-Amp) est un composant électronique hautement intégré largement utilisé dans les circuits pour l'amplification de signaux, le filtrage, l'intégration, la différentiation et de nombreuses autres applications. Sa fonction principale est d'amplifier la différence de tension entre ses deux bornes d'entrée. Voici une explication de son fonctionnement et des concepts clés :

1. Structure de base

• Un amplificateur opérationnel a généralement cinq broches :

• Entrée non inverseuse (V+) : borne d'entrée positive.

• Entrée inverseuse (V−) : borne d'entrée négative.

• Sortie (Vout) : signal de sortie amplifié.

• Alimentation positive (Vcc) : tension d'alimentation positive.

• Alimentation négative (Vee) : tension d'alimentation négative.

2. Principe de fonctionnement

Hypothèses pour un amplificateur opérationnel idéal

• Gain infini : Idéalement, le gain A de l'op-amp est infini.

• Impédance d'entrée infinie : L'impédance d'entrée Rin est infinie, ce qui signifie que le courant d'entrée est presque nul.

• Impédance de sortie nulle : L'impédance de sortie Rout est nulle, ce qui signifie que le courant de sortie peut être arbitrairement grand sans affecter la tension de sortie.

• Largeur de bande infinie : Idéalement, l'op-amp peut fonctionner à toutes les fréquences sans limitations.

Caractéristiques d'un amplificateur opérationnel réel

• Gain fini : En pratique, le gain A de l'op-amp est fini, généralement compris entre 10^5 et 10^6.

• Impédance d'entrée finie : L'impédance d'entrée réelle n'est pas infinie mais très élevée (niveau de mégohms).

• Impédance de sortie non nulle : L'impédance de sortie réelle n'est pas nulle mais très faible.

• Largeur de bande finie : La largeur de bande réelle de l'op-amp est limitée, généralement comprise entre plusieurs centaines de kilohertz et des mégahertz.

3. Modes de fonctionnement de base

Configuration en boucle ouverte

Gain en boucle ouverte : Dans la configuration en boucle ouverte, le gain A de l'op-amp amplifie directement la tension différentielle d'entrée.

Saturation : En raison du gain élevé A, même une petite différence de tension d'entrée peut faire atteindre la tension de sortie aux limites des tensions d'alimentation (c'est-à-dire Vcc ou Vee).

Configuration en boucle fermée

Rétroaction négative : En introduisant une rétroaction négative, le gain de l'op-amp peut être contrôlé pour fonctionner dans une plage raisonnable.

Circuit de rétroaction négative : Les circuits de rétroaction négative courants incluent les amplificateurs inverseurs, les amplificateurs non inverseurs et les amplificateurs différentiels.

Court-circuit virtuel et circuit ouvert virtuel : Dans les circuits de rétroaction négative, les tensions aux deux bornes d'entrée de l'op-amp sont presque égales (court-circuit virtuel), et le courant d'entrée est presque nul (circuit ouvert virtuel).

4. Circuits d'application courants

Amplificateur inverseur

Structure du circuit : Le signal d'entrée est alimenté par un résistor R1 à l'entrée inverseuse V−, et un résistor de rétroaction Rf connecte la sortie Vout à l'entrée inverseuse V−.

Amplificateur non inverseur

Structure du circuit : Le signal d'entrée est alimenté par un résistor R1 à l'entrée non inverseuse V+, et un résistor de rétroaction Rf connecte la sortie Vout à l'entrée inverseuse V−.

Amplificateur différentiel

Structure du circuit : Deux signaux d'entrée sont appliqués à l'entrée non inverseuse V+ et à l'entrée inverseuse V−, et un résistor de rétroaction Rf connecte la sortie Vout à l'entrée inverseuse V−.

5. Résumé

Un amplificateur opérationnel fonctionne en amplifiant la différence de tension entre ses deux bornes d'entrée, avec une fonctionnalité centrale reposant sur un gain élevé et des mécanismes de rétroaction négative. En utilisant différentes configurations de circuit, les op-amps peuvent effectuer diverses fonctions telles que l'amplification, le filtrage, l'intégration et la différentiation. Comprendre les principes de fonctionnement et les circuits d'application courants des op-amps est essentiel pour la conception et le dépannage de divers systèmes électroniques.