Les montages électroniques de base à AOP

Qu’est ce qu’un amplificateur Opérationnel ?

Un amplificateur opérationnel, AOP en sigle ou encore ampli op est un circuit analogique qui amplifie des signaux et qui est capable de réaliser tous les circuits arithmétiques (additionneur, soustracteur, diviseur,…)…l’amplificateur opérationnel est donc un calculateur analogique. Ce circuit sert aussi à amplifier les signaux BF ( comme les transistors bipolaires et unipolaires) une fois dans les montages électroniques complexes.

Un amplificateur opérationnel comporte 3 bornes :

• Une borne d’entrée inverseuse («  » – «  »
• Une borne d’entrée non-inverseuse ( «  » + «  »)
• Une borne de sortie.

De ce bornes, on cite aussi les deux bornes d’alimentations qui servent tout simplement à faire fonctionner le circuit. Ils sont retrouvés sous formes des circuits intégrés et souvent dans une seule boite on peut retrouver plus d’un AOP, comme LM71 ( avec 1 AOP) , LM082 ( avec 2 AOP), le LM324 ( avec 4 AOP),…

L’amplificateur Opérationnel, l’AOP est conçu ou construit autour :

• d’un amplificateur différentiel d’entrée pour préparer les signaux et offrir une impédance infinie d’entrée
• Un adaptateur et un correcteur Automatique du Gain (CAG) comme étage intermédiaire
• Un amplificateur classe AB série complémentaire comme étage de sortie. Il offre une très faible impédance de sortie.

L’amplificateur Opérationnel de base est le 741 (technologie bipolaire LM741) ou uA081 (technologie unipolaire)

Où utiliser les Amplificateurs Opérationnels ?

Les amplificateurs opérationnels peuvent servir de préamplificateurs, mais ils peuvent
également être utilisés comme comparateurs, redresseurs, mélangeurs, oscillateurs ou filtres BF. C’est pour cela qu’une fois que vous aurez compris comment les deux broches d’entrée interagissent sur le fonctionnement du circuit, vous découvrirez qu’il est plus simple de polariser et d’utiliser un opérationnel plutôt qu’un transistor.

J’ai toujours demandé à tous les amateurs ou vrais débutants en électronique d’apprendre comment fonctionne les amplificateurs opérationnels car une fois le fonctionnement compris, vous réaliserez de circuits perfectionner comme par exemple :

• Des générateurs des signaux ( alarmes, sirènes,…)
• Filtres passe-Haut, passe-bas, ( dans l’audio pour faire le traitement de l’audio…)
• Convertisseurs courant/tension ( dans des CAG , CAN, CNA,…)
• Générateurs de courant constant
• Redresseurs de signaux BF
• Régulateurs de tension et de courant
• Préamplificateurs BF
• Amplificateurs différentiels
• Comparateurs de tension
• Mélangeurs de signaux BF
• Oscillateurs basse fréquence ( pont de wien, …)

Bref vous serez doter des bonnes notions dans la conception des circuits électroniques et delà vous pourrez mener des études sur les problèmes humanitaires et y apporter des solutions sous forme de montage électronique, et souvent avec l’amplificateur opérationnel c’est plus sophistiqué.

Symbole d’un amplificateur opérationnel

Voici le symbole conventionnel de l’amplificateur opérationnel :

Bien que pratiquement tous les opérationnels soient conçus pour être alimentés à l’aide d’une tension double, il est aussi possible de le faire avec une tension unique, en ajoutant seule-ment deux résistances et un condensateur électrolytique au circuit électrique comme suit : .

Les caractéristiques importantes à connaitre d’un amplificateur Opérationnel

• Tension à la borne inverseuse est égale à la tension à la borne non-inverseuse : V+ = V-  

• Transfert en tension théorique est infini pour dire que l’amplificateur peut amplifier des signaux d’autres de  millivolts pour fournir à la sortie théorique des kilovolts de tension. Les semi-conducteurs étant limités, pour le cas de l’amplificateur opérationnel ; par les composants internes, on créera presque toujours une boucle pour limiter le gain en tension.
• Un amplificateur opérationnel amplifie les signaux continus et variables : c’est une caractéristique importante car elle permettra à l’AOP d’être utilisé en détection des signaux, mixages des signaux ou en échantillonnage,… Un AOP est souvent alimenté par une tension asymétrique c’est-à-dire une tension +VCC et une autre –VCC créée par une alimentation asymétrique

La sortie d’un AOp étant PUSH-PULL AB série, la puissance disponible à la charge vaut :

pour une alimentation continue et pour les variables asymétriques :  

• Un AOP est muni des connecteurs de correction d’offset car la polarisation créer des tensions décalées, ce qui produit des erreurs en mode commun.

Montages linéaire à AOP

1. Amplificateur Non-inverseur

Un amplificateur opérationnel est configuré en non-inverseur lorsque la tension de sortie Vs est amplifiée mais reste du même signe que celle d’entrée Ve. Retenez que sur le schéma, de fois je ne mettrai pas les alimentations de l’AOP( +VCC et – VCC comme sur le symbole)

Les résistances R1 et R2 constituent la boucle d’amplification ( le gain du montage donc). Pour trouver la valeur de la tension de sortie, on utilise cette formule :

Ce montage est caractérisé par une impédance d’entrée très grande car le signal d’entrée est sur l’une des bornes d’entrée de l’AOP. La tension de sortie restera toujours supérieure ou égale à celle d’entrée quelques soit les valeurs de R1 et R2.

On constate que si on prend :

• R1 = R2, on aura Vs=2 Ve ( le montage sera un doubleur de tension : si Ve = 2V, alors Vs = 4V, si Ve=0,5V, alors Vs=1V)
• R1 = 2 x R2 , on aura Vs= 3 Ve ( le montage sera un tripleur de tension)
• R1 = 1/2 x R2 , on aura Vs = 1,5 Ve

Avec ce type des montages on peut réaliser de très bonne fonctions (relations) mathématique que l’on peut exploiter pour obtenir quelques choses de plus concret et réel.

2. Amplificateur Inverseur

Comme l’indique le nom, le montage est un inverseur de signal d’entrée. si l’entrée est positive , la sortie sera négative et vice versa. Il est un déphaseur tout comme l’amplificateur à transistor du type émetteur commun.

• Si R1 = R2 , l’amplification en tension est unitaire (jamais négative car elle est toujours prise en valeur positive), on aura réalisé un inverseur où Vs = – Ve ( si Ve=2V, Vs = – 2V,…)
• Si R2 = 2R1, on aura donc un doubleur inverseur ( si Ve = 5V, Vs= – 10V,…)

3. Montage Suiveur

Sur l’image ci-haut, le schéma d’un amplificateur suiveur qui ne fait presque aucune modification théorique dans le montage pourtant qui jouera un très grand rôle dans les circuits. C’est le montage qui permettra d’isoler par exemple un capteur du circuit de traitement sans pour autant jouer sur les impédances, le montage sera trop utilisé en commande grâce à sa très grande impédance d’entrée.

4. Montage Inverseur – Non Inverseur

Il est inverseur pour une certaine position du curseur du potentiomètre k et non-inverseur pour une autre. Les deux possibilités ou positions sont exprimées suivant des intervalles bien définie.

La relation suivante definie la tension de sortie en fonction de celle d’entrée :

le montage a un gain allant de 1 à -1 selon la position du curseur du potentiomètre ( O ou 1 aux extrêmes ). Le montage inverseur no inverseur sera plus utilisé avec les circuits audio.

Comment alimenter un amplificateur opérationnel ?

Pour alimenter un opérationnel à l’aide d’une tension unique, on devra alimenter les deux broches d’entrée “+” et “–” à l’aide d’une tension qui soit exactement la moitié de celle d’alimentation. Pour obtenir cette moitié de tension, il suffit de relier entre le positif et la masse d’alimentation deux résistances de 10 000 ohms reliées en série, et
d’utiliser ensuite la jonction centrale des deux résistances R4 et R5 comme masse fictive pour relier les résistances d’entrée.

Si on alimente l’opérationnel avec une tension unique de 12 volts et qu’on relie ensuite un multimètre sur le point de jonction entre les deux résistances R4 et R5 et les deux extrémités de la pile de 12 volts, on lira, d’un côté 6 volts positifs et du côté opposé 6 volts négatifs, obtenant ainsi, de manière artificielle, une tension double de 6 + 6 volts.

• A lire aussi : Les régulateurs de tension 78XX et 79XX

En conclusion

Je vous ai énumérer presque toutes bases concernant les amplificateurs opérationnels. Les 4 schémas des amplificateurs opérationnels que je vous ai présenté vous serviront de guide. On peut réaliser toutes les fonctions mathématiques simplement avec un AOP.

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