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Electronique> Théorie> Amplificateuropérationnel (AOP)

Dernière mise à jour : 05/04/2020

Présentation

Cet article présentede façon succinte l'amplificateur opérationnel,appelé aussi AOP (Amplificateur OPérationnel) et fournit quelques exemples d'utilisation. Sivous voulez en savoir plus, faites comme moi : moteur de recherche (sur ce site ou ailleurs) et Hop ! le mondedes schémas à base d'AOP s'ouvre à vous, avecmoult courbes et formules s'il vous plaît... Bonne lecture !

AOP ou ALI ?

AmplificateurOPérationnelou AmplificateurLinéaire Intégré ? Ladeuxième appellation devrait être de rigueur, dixit le rectorat. Mais j'avoueque j'ai un peu de mal à m'y faire et que dans le descriptif demes montages, j'emploie encore le terme AOP. Merci de votrecompréhension.

Commençons par le début...

Qu'est-ce qu'un amplificateur opérationnel (ou amplificateurlinéaire intégré) ? Il s'agit d'uncomposant électronique qui permet d'effectuer une amplificationdifférentielle sous forme d'opération mathématique simple (addition,soustraction, multiplication) et quipossède au moins 5 broches deconnexion :

1 entrée inverseuse notée "-"
1 entrée non-inverseuse notée "+"
1 sortie
2 broches"-V" et"+V" (ou "V-" et"V+") pour son alimentation en tension

Ce circuit est quasiment toujours représenté sous laforme d'un triangle avec une pointe (souvent orientée vers la droite) quireprésente la sortie. Sa représentationschématique ressemble la plupart du temps au dessin de gaucheci-dessous, mais il arrive que le dessinateur omette volontairement ledessin des broches d'alimentation (dans un souci de clarification duschéma), ce qui donne alors un dessin qui ressemble à celuide droite (remarque : les numéros de broches indiquésci-dessous correspondent à un modèle d'AOP, pas àtous) :

Sans entrer trop dans lesdétails,voici ce que l'on peut retenir d'un AOP

AC et DC - En mode de couplage direct (sans condensateur de liaison), un AOP peut traiter des tensions continues ou alternatives.
Usage- Un AOP peut être utilisé pour décaler une tension continue, pouramplifier une tension continue ou alternative, il peut aussi êtreutilisé en comparateur de tensions (mais ce n'est pas son objectifinitial).
Impédance d'entrée - Les entrées inverseuse et non-inverseuse ont uneimpédance très élevée, des valeurs de 10 MOou 100 MO sont courantes (un AOP idéal présenterait desentrées dont l'impédance est infinie). Cettecaractéristique fait que les entrées neprélèvent quasiment aucun courant au circuit auquel ellessont raccordées et bien souvent on considère ce courantcomme nul.
Impédance de sortie - La sortie possède une impédance très basse, dequelques ohms à quelques dizaines d'ohms engénéral (un AOP idéal présenterait unesortie dont l'impédance est nulle).
Tension de sortie - La tension de sortie de l'AOP est en relation directe avec(est unefonction de) ladifférence de potentiel qui règne entre les deuxentrées inverseuse etnon-inverseuse. En théorie, la sortiedevrait délivrer une tensionnulle si on appliquait une tension de même valeur (et enmêmetemps) sur les deux entréesinverseuse etnon-inverseuse (tension de mode commun).
Gain (Av, amplification entension) - Le gain correspond au tauxd'amplification en tension,au nombre de fois que la tension d'entrée va être multipliée. Le gaind'un AOP estgénéralement extrêmement élevé(plusieurs centaines de milliers, par exemple 160000 pour un classiqueLM741), quand on le fait travailler enboucle ouverte (sortie complètement isolée des entrées). Enpratique et quand on veut utiliser un AOP en amplificateurlinéaire,le gain estramené à une valeur plus "raisonnable" de 10, 100, 1000(voire un peu plus dans certains cas particuliers) en utilisant unerésistance ou deux résistancesqui permettent de ramener sur une des entrées, une fraction plus oumoins grande de la tension de sortie. Cette réinjection de la sortievers l'entrée s'appelle une réaction ou contre-réaction. Plus laréaction ou contre-réactionest forte et plus le gain est réduit. Certains AOP ne sont pas stables(ils peuvent osciller spontanément) quand le gain est de faible valeur(gain de 1 à 3 par exemple). La tension de sortie d'un AOP est égale àla différence de tension entre les deux entrées (inverseuse et noninverseuse) multipliée par le gain. A noter qu'une contre-réactionprésente l'avantage de réduire dans une certaine mesure les défauts denon-linéaritéde l'AOP.
Bande passante (bandwidth) - Elle correspond à la plage de fréquencedans laquellel'AOP peut travailler avec un "gain acceptable". Elle est souventexprimée pour un gain de 1, ou sous forme de "produitgain-bande" (GBW). Plus on demande à un AOP un gain élevé etplus sa bandepassante se réduit. Si par exemple on dispose d'une bande passante de100 kHz avec un gain de 100 (40 dB en tension), la bande passante peutêtreréduite à 10 kHz (10 fois moins) avec un gain de 1000 (60 dB, 10 foisplus que 40 dB). Autre exemple avec un AOP dont le produit gain-bandeGBW est de 22 MHz et dont le gain Av est fixé à 100 : dans ce cas labande passante BW est égale à GBW/Av = 220kHz. La fréquence de coupureen boucle ouverte (sanscontre-réaction) correspond à la fréquence pour laquelle le gain del'AOP diminue de 3 dB par rapport au gain obtenu en tension continue :si par exemple le gain est de 120 dB pour une tension continue (ou àune fréquence trèsbasse, par exemple 1 Hz), la fréquence decoupure sera celle pour laquelle le gain aura chuté à 117 dB (120 dB -3 dB), ce qui peut par exemple se produire à une fréquence de 10 Hz.
Alimentation (power supply)- De nombreuxAOP sont conçus pour être alimentés depréférence avec une alimentation symétrique(alimentation double, une positive à relier à la broche+V, et une négative à relier à la broche -V).Certains modèles d'AOP se contentent néanmoins d'unealimentation simple (borne la plus positive de l'alimentation àrelier à la broche +V, et borne la plus "négative"à relier à la masse). Un AOP prévu pour fonctionner avec unealimentation symétrique peut toutefois être utilisé avec une tensionunique. De nombreux AOP sont prévus pour fonctionner avec une tensionmaximale de 36 V (+/-18V), certains acceptent plus (mais ils sontrares) et beaucoup accèptent moins (cas des AOP conçus pour lesapplications portables et dont la tension d'alimentation maximale nepeutexcéder 5,5V ou 6V).
Consommation (supply current)- La consommation est généralement de l'ordre du mA pour un AOP.Certains consomment très peu de courant (quelques dizaines de uA) alorsque d'autres réclament plusieurs mA. D'une manière générale, les AOPcapables de monter haut en fréquence réclament une intensité de courantplus élevée. Ce point qu'on peut "négliger" dans un système alimentépar le secteur devient crucial pour un système portable alimentéparpile ou batterie.
Mise en veille (shutdown)- Certains AOP possèdent une fonction de mise en veille qui permet defaire chuter le courant consommé à une valeur ridicule. Là encore, cepoint est grandement apprécié pour les applications portables.
Excursion de tension en sortie (swing)- Les tensions extrêmes maximales que peut délivrer unAOPn'atteignent pas la valeur de sa ou de ses tensions d'alimentation.Selon lesmodèles d'AOP, une différence de 2 V peut êtreobservée (dans ce cas, avec une alimentation +/-15 V, la tensionen sortie de l'AOP ne pas excéder +/-13 V). Si cela ne posegénéralement pas de problème avec des tensions"élevées", il faut savoir que cela peut constituer unelimitation gênante dans certaines applications, notemment quandl'alimentation se fait par pile. Un appelé dit "rail-to-rail" possèdeune très faible tension de déchet et la tension de sortie peuts'approcher de très près de la valeur des rails d'alimentation (-V, 0Vou +V selon la configuration).
Courant de sortie maximal -Un AOP ne peut généralement délivrer qu'un courant de sortie assezmodeste, de quelques mA. Le courant de court-circuit de la sortiecorrespond à lavaleur maximale de courant que l'AOP peut débiter quand lasortie est reliée à la masse. Pour certains AOP, cecourant de court-circuit est limité en interne, pour d'autres iln'est pas limité et peut être destructeur s'il dure troplongtemps.
Temps de montée (slew-rate) - Le temps de montée correspond au temps que metlatension en sortie pour monter ou pour descendre d'une certaine quantitésur une durée donnée. Ilestspécifié par le constructeur pour un gain de 1. On peut par exempletrouver des valeurs de 0,5 V/us (cas du LM741), 10 V/us (par exempleMC33272), 180 V/us (par exemple LTC6226) ou encore 1000 V/us (par exemple THS4631). Letemps demontée conditionne directement la fréquence maximale et l'amplitudemaximale de sortie que l'AOP peut traiter. Plus le slew-rate est élevéet plus l'AOP peut travailler avec des signaux rapides (de fréquenceélevée). La valeur du slew-rate est d'autant plus "critique" quel'amplitude des signaux délivrés sur la sortie de l'AOP doit êtreélevée à des fréquences élevées (plus on monte en fréquence et plus ilest difficile d'atteindre la tension maximale possible en sortie del'AOP).
Offset(tension de décalage) - Normalement (en théorie), la tension en sortied'un AOP estproportionnelle à la différence de tension entre ses entréesinverseuses etnon inverseuses. Si on applique une tension identique sur les deuxentrées (qu'on court-circuite pour l'occasion), la sortie devraitdélivrer une tension nulle. Or souvent ce n'est pas le cas, on constatela présence d'une tension continue de quelques mV qui est due auximperfections de l'étage d'entrée différentiel. En fait, cette tensiond'offset correspond à la différence de tension qu'il faudrait appliquerentre les entrées inverseuses et non inverseuses pour avoir 0 V ensortie. Certains AOP possèdent une ou plusieurs entrées pour annulercettetension d'offset (avec ajout d'un potentiomètre), d'autres n'enpossèdent pas. Cette tension d'offset est parfois gênante (surtoutquand on adopte un gain élevé), parfois elle n'est pas gênante. Quandsa valeur est problématique (critique), on s'arrange pour choisirun AOP dont la tension d'offset est garantie de très basse valeur. Parexemple, le LTC6226 de Analog Device présente une tension d'offsetd'entréede 95uV maximum, avec une dérive de 0,4uV/°C.
Niveau de bruit (noise)- Chaque composant électronique, même une simple résistance, possède unniveau de bruit qui lui est propre. Le niveau de bruit "ramené àl'entrée" d'un AOP dépend beaucoup de son modèle (de sa technologie etmode de fonctionnement). Ce niveau de bruit, exprimé en "V/Hz" (parexemple 1nV/√Hz pour le LTC6226) est d'autant plus critique que lessignaux à traiter (appliqués à l'entrée) sont de faible amplitude.
Distorsion- Le taux de distorsion exprime la "quantité de déformation" que subitle signal de sortie par rapport au signal d'entrée. Il peut êtreexprimé en pourcentage (par exemple distorsion de 0,01%) ou en décibels(par exemple -90dBc). Un taux de distorsion n'est significatifque si on précise dans quelles conditions il a été mesuré. Dire qu'unAOP présente un très faible taux de distorsion harmonique avec unsignal d'entrée de 1 kHz / 1 V / gain de 10 et sortie chargée sous 10kO ne renseigne aucunement sur les capacités du composant à traiter unsignal d'entrée de100 kHz / 4 V / gain de 100 et sortie chargée sous 1kO !
Boîtier (package)- Un même AOP peut être proposé dans différents types de boîtier parson fabricant : DIL, SIL, SOIC, etc. L'amateur comme moi préfère lesgros boîtiers qui se manipulent aisément. Je regarde toujours d'un oeildouteux un AOP à 8 broches tenant sur une surface de 2mm x 2mm...

Conventions

Pour les schémas d'exemple qui vont suivre, j'adopterai toujoursles conventions suivantes :

Un triangle est utilisé pour représenterl'amplificateur opérationnel (AOP)
Quand elle est dessinée, la broche positive d'alimentation(+V) est située vers lagauche du triangle et est dirigée vers le haut
Quand elle est dessinée, la broche négatived'alimentation (-V) est situéevers la gauche du triangle et est dirigée vers le bas
L'entrée Non-Inverseuse est située à gaucheet est représentée par le signe "+"
L'entrée Inverseuse est située à gauche etest représentée par le signe "-"
La sortie est représentée par la pointe du triangleet est dirigée vers la droite

Amplificateur inverseur

Il s'agit, avec le montage en amplificateur inverseur, d'une desapplications les plus rencontrées de l'amplificateuropérationnel.

Remarques

Le gain dont il est question dans les lignesprécédentes exprime un rapport, un taux d'amplification.Il n'a pas d'unité (le gain est de 10x, ce qui n'est paséquivalent à 10 dB).
Certains appellentce montage amplificateur à gain négatif (de gain -10 dansle cas présent) parce que l'amplificateur inverse la phase (la polarité) dusignal qu'on lui fournit. Personnellement, je préfèreparler d'amplificateur inverseur de gain 10, pour éviter touteconfusion avec le gain exprimé en dB qui, quand il estnégatif, correspond à une atténuation.

Amplificateur non-inverseur

Montage très classique là aussi, et qui ressemble fort auprécédent. Les deux schémasde câblage ci-dessous sont les mêmes, seule la disposition desrésistances diffère entre les deux. Notez comment on peuttout de suite interpréter différement un schéma,simplement en modifiant l'emplacement de quelques composants...

Comme pour le montage en amplificateur inverseur, le gain de ce montageest déterminé par une relation entre les valeurs de R2(cette résistance R2 est ici aussi appeléerésistance de contre-réaction) etR1. La formule diffère légèrement de celle vuejuste avant, mais reste vraiment très simple elle aussi :
Gain = (R2 / R1) + 1
Avec 100K pour R2 et 10K pour R1, le gain est donc de 11.
Remarque :Pour le montagenon-inverseur comme pour le montage inverseur, lacontre-réaction (réinjection d'une portion du signal desortie sur l'entrée) s'effectue toujours sur l'entréeinverseuse.

Suiveur de tension

L'usage d'un AOP pour réaliser un amplificateur de tension estpresque évident quand il s'agit... d'amplification. L'usage d'unAOP monté en suiveur de tension (voltage follower en anglais) peut paraître moinsévident au premier abord, puisque l'amplitude du signal ensortie de l'AOP est égale à celle appliquée surson entrée (c'est pourquoi on l'appelle suiveur - ourépéteur - de tension). Alors quel interêt ?

La lecture des lignes en haut de cette page donne la réponse :entrée à très haute impédance, et sortieà très faible impédance. Montage idéal pourréaliser un adaptateur d'impédance, etparticulièrement apprécié quand il s'agit deprélever un signal sur une source dont l'impédance desortie est très élevée. Comme lacontre-réaction est totale (la totalité du signal desortie est réinjecté sur l'entrée inverseuse), legain est de un (pas d'amplification, ni d'atténuation). Enpratique, ce gain sera toujours un tout petit peu inférieurà un, mais on néglige cette toute petite perte.

Attention: si l'AOPest alimenté en mono-tension (broche d'alim V- reliée àla masse par exemple, ce point est abordé plus loin) alors sa sortiedélivre une tension égale à sa tension de déchet, tant quelatension d'entrée (appliquée sur l'entrée non-inverseuse) estinférieure à cette tension de déchet. Exemple : si la tension de déchetde l'AOP est de 1 V sur le rail V-, alors toute tension d'entréecomprise entre 0 V et +1 V conduira à une tension de +1V ensortie. Dans cette plage de tension d'entrée,le montage ne secomporte plus commeun suiveur de tension. Solution : utiliser unAOP "rail-to-rail" ou l'alimenter avec une tension symétrique (double).

Sommateur (additionneur)

Ce type de montage est utilisé pour sommer (on dit aussiadditionner ou mélanger) plusieurs signaux entre eux. C'est enquelque sorte un "mixeur" possédant au moins deuxentrées et une seule sortie.

Ce montage peut effectuer le mélange en apportant ou non dugain, il suffit de choisir la valeur des résistances qui vabien. Chose plus intéressante encore, il est possible de choisir unevaleur différente pour chaque résistance d'entrée(R1, R2 ou R3 sur le schéma précédent), de tellesorte que le signal appliqué sur chaque entrée ne soitpas amplifié de la même façon. Si par exemple ondonne à R1 la valeur de 10K, et que l'on donne à R2 lavaleur de 20K, un signal appliqué sur l'entrée 1 (avecR1) sera deux fois plus amplifié que le même signalappliqué sur l'entrée 2 (avec R2), car le rapport avec larésistance R4 est deux fois plus grand (10 contre 5).

Comparateur de tension

Dans ce type d'application, on met à profit le très grandgain de l'AOP, et on ne laisse la sortie avoir que deux valeurs detension possibles : la tension max qu'il peut fournir, et la tensionmin qu'il peut fournir. Toutes les tensions intermédiaires nepeuvent exister de façon "stable", car le gain est ici tellementimportant, que la moindre petite différence de tension entre lesdeux entrées inverseuse et non inverseuse est amplifiéeà un tel point qu'elle ne peut que "buter" contre les bornesimposées par la tension d'alimentation. Imaginez simplement unedifférence de tension de 1 mV, alors que le gain est de 500000 :la sortie va désespérement essayer d'atteindre 500 V...mais n'y arrivera évidemment pas, car l'alimentation n'est que de15 V. Il existe plusieurs façon de câbler un AOP en comparateurde tension, mais les deux schémas ci-dessous devraientnormalement suffire pour comprendre les grandes lignes, et vouspermettre ensuite d'adapter l'engin à votre sauce.

Dans le premier cas (schéma de gauche), la tensionprésente sur l'entrée "+" est inférieure àla tension présente sur l'entrée "-". La sortie de l'AOPreste à l'état logique bas, et la led verte s'allume.Dans le second cas (schéma de droite), la tensionprésente surl'entrée "+" est supérieure à la tensionprésente sur l'entrée "-". Lasortie de l'AOP passe à l'état logique haut, et c'estmaintenant la led rouge qui s'allume. Il peut sembler curieuxd'utiliser les termes "niveau logique bas" ou "haut" pour une sortied'AOP, qui fait plus partie du monde analogique que du mondenumérique. Cependant, on peut bien se le permettre ici, car lasortie de l'AOP (un LM324), ne délivrera jamais sur sa sortied'autres tensions que la plus petite ou la plus grande qu'il peutfournir. Notons au passage que l'alimentation utilisée ici estde type simple. En comprenant la logique présentéeci-avant, vous devriez être en mesure d'adapter ce schémapour lui permettre de détecter n'importe queldépassem*nt, dans un sens ou dans l'autre, d'une tensionà surveiller, par rapport à une tension deréférence.

Différence avec un vrai comparateur de tension

Uninternaute me signalait récement qu'il était surpris qu'on utilise pourun comparateur de tension (LM311par exemple), un symboleidentique à celui d'un AOP alors qu'il ne s'agit pas d'un AOP. Il estvrai que d'un point de vue fonctionnel, les deux composants reposentsur un principe similaire, il possèdent tous deux deux entrées (+ et-)et une sortie dont l'état dépend de la différence de tension entre lesdeux entrées. Si on peut utiliser un AOP en tant que comparateur en lefaisant fonctionner en boucle ouverte (pas de réaction de la sortievers une entrée), il n'est pas commun d'utiliser un comparateur en tantqu'AOP en lui ajoutant une résistance de contre-réaction. Ce derniern'est pas du tout prévu pour cela. Une attention particulière doit êtreportée sur la vitesse de réaction d'un AOP utilisé en comparateur. Enboucle ouverte, son gain s'écroule et on ne peut pas le fairefonctionner à grande vitesse. Restons logiques : un AOP est conçu à labase pour travailler avec des signaux dans un régime linéaire, avec unedistorsion la plus faible possible. On peut l'utiliser commecomparateur mais ce n'est pas toujours une bonne idée. Un comparateurde tension quand à lui est étudié pour travailler en régimebloqué/saturé. Alors évidement la structure de sortie de ces deuxcomposants ne peut pas être la même. Quand on veut fairetravaillerun comparateur de tension à grande vitesse, mieux vautne pas utiliser un AOP, mais plutôt un comparateur de tension rapide(MAX961, AD790 ou LT1016 par exemple). Petit mot pour finir ceparagraphe : dans les documents constructeurs (datasheet) les donnéestechniques qui expriment le "temps de réaction" ou temps demontée/descente peuvent porter plusieurs noms : rising/falling time, ouslew-rate. A titre d'exemple extrême, le temps de propagation d'un AOPfaible consommation peut s'exprimer en millisecondes, là où celui d'uncomparateur rapide peut s'exprimer en nanosecondes (rapport de vitessedeun million, tout de même).

Oscillateur

Ici, on s'arrange pour que l'AOP délivre un signalrépétitif (on dit périodique) de formecarrée. Notons au passageque cela lui arrive de le faire alors qu'on ne lui demande rien(oscillation parasite), et que cela est dans ce cas évidementtrès gênant.

En ajoutant une résistance et un condensateur, il est possiblede réaliser un oscillateur à pont de Wiendélivrant une tension de forme sinusoïdale. Exemple : Générateur audio 010.

Autres usages de l'AOP

L'AOP peut aussi être utilisé pour réaliser :

des filtres actifs (passe-bas, passe-haut, passe-bande,rejecteur,à accord électronique, ...)
des amplificateurs pour capteurs et pour ponts de mesure
des redresseurs à diodes
des opérations mathématiques complexes (logarithmique,anti-logarithmique, exponentielle, multiplication, division...)
des amplificateurs de différence
des intégrateurs, des dérivateurs
des temporisateurs, des monostables
des triggers (deux seuils de basculement différents)
des comparateurs à fenêtre
des convertisseurs tension / courant (amplificateurs àtransconductance)
des références de tension ou de courant (pouralimentations stabilisées par exemple)
des simulateurs de self(montage en gyrateur)

Je vous invite très fortement à consulter les datasheet(feuilles de caractéristiques des composants, fournies par lesfabricants), qui regorgent parfois d'exemples d'application. Voir aussile site Electronique.AOPqui regorge de schémas.

Types de boîtier

Dans le monde amateur, on utilise souventdes AOP en boîtier traversant (DIP8/DIL8 ou DIP14/DIL14 par exemple).Le brochage est le même pour une grande variété d'AOP, ce qui faciliteles échanges et essais en phase de développement. Les AOP simples,doubles et quadruples sont presque toujours proposés avec le câblagesuivant :

Lecircuit intégré LM324 (AOP quadruple) possède ainsi le même brochagequ'un TL084 (AOP quadruple) et on peut les interchanger pour tests.Pour ce qui est des broches d'alimentation V+ et V-, on peut lesutiliser de différentes manières :

V- à la masse et V+ à une tension positive par rapport à la masse (par exemple +12 V)
V-à une tension négative par rapport à la masse (par exemple -12 V) etV+ à une tension positive par rapport à la masse (par exemple +12 V)
V-à une tension négative par rapport à la masse (par exemple -12 V) et V+ à la masse

Ce dernier cas est moins fréquent ;-)

Toujours 8 broches pour les AOP simples ?

Quasimenttout le temps, quand il s'agit de composantstraversants. Maisdans le monde des CMS (composants montés en surface) où on cherche àtout miniaturiser, on trouve des AOP simples à 5 broches (LMV651 parexemple) ou 6 broches (LMV711 par exemple).

Quel AOP choisir ?

Il est vrai qu'il n'est pas toujours évident de choisir un AOPpour une application donnée. Certains paramètres sontplus importants que d'autres dans telle situation, alors que leurimportance devient bien moindre dans telle autre situation. Vous pouvezchoisir un AOP en fonction de sa consommation, de son niveau de bruitpropre, de sa bande passante, de son slew-rate (temps de montée,qui détermine sa capacité à passer rapidementd'une valeur à une autre), de la tension d'alimentation maximalequ'il peut supporter, du courant de sortie qu'il est capable dedébiter ou d'absorber, etc. Pour un usage classique, vous pouvezpar exemple commencer à vous orienter vers des circuits de lafamille TL08x (TL081, TL082 ou TL084). Vous souhaitez des circuits qui"soufflent" un peu moins ? Regardez alors du côté de lasérie des TL07x. Votre priorité est une faibleconsommation ? Allez donc vous renseigner sur la série TL06x.Vous devez impérativement opérer avec une alimentationsimple ? LM358 (version double) ou LM324 (version quadruple) parexemple. Le courant d'entrée doit êtrele plus faible possible ? Le CA3130 fera peut-être l'affaire.Tension d'alimentation supérieure à +/-18 V ? Unerecherche chez les fabricants s'impose, on peut par exemple utiliser leMC1436 qui supporte une alim de +/-34 V (il y a aussi le LM675, mais sonboîtier ne me plaît pas). Une page concernant les AOP dans ledomaine del'audio,donne quelques exemples d'AOP, il ne s'agitévidement pas d'une liste exhaustive, mais vous trouverezpeut-être quelques références intéressantes. Pensez aussi à consulterde temps en temps les sites internet des fabricants, qui proposentparfois des systèmes de recherche assez bien foutus et surtout trèscomplets (tables paramétriques). Vous découvrirez ainsi par exemple queles bons vieux LM741, TL071ou TL081 peuvent avantageusem*nt êtreremplacés par un TLC271 ou par un TLV271. Ou encore que les TL072 (ouTL082) et TL074 (ou TL084) peuvent dans bien des cas être remplacésrespectivement par un TLV2252 (ou TLV2262) et par un TLV2254 (ouTLV2264). Ces derniers ont l'avantage de consommer fort peu de courantet d'être de type "rail-to-rail" (très faible tension de déchet ensortie), ce qui les rend particulièrement attrayants dans les montagesoù la tension d'alimentation est faible et où il faut faire del'adaptation analogique en vue d'une conversion numérique, avec un PICdoté d'un CAN par exemple.

Alimentation double (symétrique) ou simple(asymétrique) ?

Peut-on faire fonctionner un LF356 ou un TL072 avec une alimentationsimple, alors qu'ils sont initialement conçus pour fonctionner avec une alimentation symétrique ? La réponse est oui.Et cela malgré le fait que certains revendeurs classent les AOPdans des catégories distinctes appelées AOP Alim doubleet AOP Alim simple. Il est vrai aussi que beaucoup de feuilles decaractéristiques(datasheet) ne mentionnent pas précisément ce point, et que celaest une des causes probables de la confusion qui règne àce sujet. En réalité, il est possible de fairefonctionner n'importe quel AOP avec une alimentation simple. Le TL072n'a pas de broche de masse, et n'a pas les moyens de savoir commentvotre alimentation est conçue. Prenez l'exemple d'un TL072alimenté en +/-15V. Que voit-il sur ses bornes 4 et 8 ? du -15 Vet du +15 V, ou une masse (0 V) et du +30 V ? Vous le voyez, tout n'estquestion que d'appellation et de référence. Après,à vous dedécider ce que sera la masse. Dans tous les cas, vous enconviendrez, il est nécessaire d'envoyer sur les entréesde l'AOP, des tensions qui soient cohérentes avec la tensiond'alimentation. Vous n'avez pas l'intention je pense, de lui donnerà manger une tension variant de -4 V à +4 V, s'il estalimenté entre masse et +18 V, n'est-ce pas ? Non ? Si ? Hum...Et si on décidait de décaler la tension de -4 V/+4 V versle haut pour rester dans le domaine des tensions positives, qu'enpensez-vous ? Ca marcherait ou pas ? Allez, on essaye ! Un offset detension continue de +4 V (appelez ça une tension de polarisationsi vous le souhaitez) superposée à notre tensionalternative de 8 V crête à crête et zou, nousvoilà sauvés ! La tension évolue maintenant nonplus entre -4 V et +4 V, mais entre 0 V et 8 V. Et comme la tension d'alimva de 0 V à +18 V, tout va pour le mieux dans le meilleur des mondes ! re-Hum...Vous êtes sûr ? Vous avez essayé de le fairevraiment ? Parce que si vous le faites vraiment, vous allez tomber surun os. Ne sont pas si courants que cela les AOP dont la sortie acceptede fonctionner si près des bornes d'alimentation. Vous devezvous réserver une marge aussi bien du côténégatif que du côté positif de l'alimentation, sivous voulez éviter un méchant écrêtage (rabotage).L'idéal étant que les entrées se trouvent toujoursà quelques volts de distance des bornes d'alimentation. Si vousavez besoin d'un AOP dont la sortie puisse excursionner de façontrès rapprochée des bornes d'alimentation (on dit aussirails d'alimentation), il vous faudra choisir soigneusem*nt lecomposant, qui sera alors de type "rail-to-rail". Un LM324, un LM358 ouun LMC660 par exemple, sont capables defonctionner très près de la branche d'alimentationnégative. Mais les AD820, LMV358M ou TLV2252 vont encore plus loin (ou plus près, si vous préférez).
A retenir :si lesentrées sont maintenues à un potentiel dont la valeur estmoitié de la tension d'alimentation et que le montage est voué à uneapplication audio, tout se passera bien même avec une alim simple !Serait-ce donc en lien avec les massesvirtuelles ?

Mise en oeuvre d'un AOPavec alimsimple

Rien de tel que quelques petit* schémas, pour montageamplificateur non inverseur, et pour montage amplificateur inverseur.

On retrouve parfois les deux schémas précédentsmais un peu simplifiés (les composants n'ont pasété renommés pour mieux laisser voir ceux qui ontété retirés) :

Tous les AOP ne se ressemblent pas...

Mêmeen "usage général", certains AOP s'en sortent moins bien que d'autres.D'ailleurs, si tous les AOP pouvaient remplir toutes les fonctions, iln'y aurait sans doute pas autant de références ! N'hésitez pas à fairedes tests avec des AOP de récupération, pour "valider" telle ou telle application.

Valeur des tensions d'alimentation

S'il est vrai qu'un AOPconçu pour fonctionner avec une alimentation double de +/-15 V peutfonctionner avec une alimentaton simple de +30 V, il faut savoir queles performances globales peuvent être réduites si on le sous-alimentefortement. Le fonctionnement des AOP est étudié pour qu'ils donnentleur pleine mesure à une tension proche de la tension nominale, qui engénéral est inférieure de quelques volts aux tensions maximalestolérées avant destruction. Ainsi, un AOP prévu pour travailler à +/-15V fonctionne avec un courant de repos bien précis qui détermine sonpoints de fonctionnement. Si on réduit sa tension d'alimentation à unetension simple de +5 V, son fonctionnement général s'en trouve affecté,aussi bien au niveau de son point de polarisation qu'au niveau destensions d'offset et tension max d'entrée. Il n'est donc pas recommandéde faire fonctionner un AOP avec une tension très inférieure à satension nominale, si on veut conserver ses performances maximales. Enrevanche rien n'interdit de le faire siladite baisse deperformances (qui n'est pas forcément énorme, il faut savoirrelativiser) n'est pas un problème. Dans un contexte professionnel, lechoix d'un AOP doit se faire de façon réfléchie, les concepteursdoivent consulter les documents constructeur (datasheet) pour savoirquel composant est le mieux adapté à leurs besoins. Pour uneutilisation sous une tension d'alimentation réduite, par exemple 3 V ou5 V, il vaut mieux généralement opter pour des AOP "basse tension"prévus d'origine pour travailler sous ces tensions faibles.

Questions diverses

Q : Dansaucun desschémas présentés, on ne voit la masse directementraccordée à une broche de masse sur l'AOP. S'agit-il d'unoubli ?
R : Les AOPne disposent pas debroche de masse, et il est vrai que cela peut sembler curieuxpuisqu'ils ont deux broches réservées pour leuralimentation. La masse peut cependant être reliée àla broche d'alimentation -V si l'alimentation est de type simple (paropposition à l'alimentation double). Mais dans ce cas, l'AOPn'est plus en mesure de délivrer de tensions négatives.
Q : La bandepassante d'un AOPpouvant être très grande, pourquoi ne pas en profiter pourétendre la plage de fréquence à amplifier. Parexemple, limiter la bande passante à 500 kHz pour passer la BFle mieux possible (je pense aux signaux carrés à 18 kHz) ?
R : Unsignal carréà 18 kHz sera perçu comme une sinus de 18 kHz, carl'oreille n'entendra pas les harmoniques de ce signal carré. Deplus, la stabilité d'un amplificateur est trèsétroitement liée à son gain. Plus le gain estélevé, et plus la tendance à l'oscillation(parasite) est forte. Alors autant rester raisonnable et se contenterdu vraiment utile.
Q : Maispourquoi donc laplupart des AOP nécessitent-ils une alimentation double pourfonctionner correctement ? Une alimentation simple est tout demême plus simple à construire !
R : Les AOPontété conçus pour travailler au-dessus et au-dessousde 0V. Dans le domaine audio, cela permet par exemple de se passer de condensateurdeliaison. Ceci dit, n'importe quel AOP est capable detravailleravec une alimentation simple (voir paragraphe concernant ce sujet, surcette même page) avec parfois quelques contraintes.
Q : Quand onutilise unetension symétrique, est-il obligatoire que la tension positivesoit de même valeur que celle de la tension négative ?
R : Ce n'estpas obligatoirequand la plage de fonctionnement souhaitée dans la partienégative n'est pas la même que celle demandée dansla partie positive. En audio, cela est plutôt rare, mais celapeut se rencontrer dans certains autres montages.

Historique

05/04/2020
- Ajout explications au paragraphe des caractéristiques (termes) techniques.
26/12/2015
- Ajout brochages standards des AOP simples, doubles et quadruples.
15/03/2015
- Ajout infos concernant l'AOP monté en comparateur de tension.
20/11/2011
- Ajout infos concernant les valeurs de tension d'alimentation et conséquences de sous-alimentation.

Electronique - Theorie - AOP (2024)