L'amplificateur opérationnel
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• décrire et polariser un amplificateur opérationnel (A.O.) ;
• tracer sa caractéristique de transfert et distinguer les régimes linéaire et saturé ;
• utiliser le modèle de l'A.O. idéal ;
• étudier les montages inverseur, non inverseur, suiveur, sommateur et comparateur.
Situation
Ce petit boîtier noir à huit pattes renferme une vingtaine de transistors : c'est un amplificateur opérationnel. Il peut amplifier, additionner ou comparer des tensions. Comment ?
I. L'amplificateur opérationnel
1. Description et polarisation
Un circuit intégré rassemble de très nombreux composants (transistors, diodes, résistors) dans un très petit volume. L'amplificateur opérationnel en est un exemple (μA741, TL081).
Les bornes de l'A.O.
- Trois bornes principales : l'entrée inverseuse E- (-), l'entrée non inverseuse E+ (+) et la sortie S.
- Deux bornes de polarisation : + Vp et - Vp (par exemple ± 15 V), tensions symétriques par rapport à la masse, sans lesquelles les transistors ne fonctionnent pas.
- Des bornes de réglage. Sur un schéma, on ne dessine que les trois bornes principales.
Toutes les tensions sont repérées par rapport à la masse (potentiel nul) : ue+, ue-, us. On appelle tension différentielle d'entrée ε = ue+ - ue-.
2. Caractéristique de transfert
On trace us en fonction de ε :
Deux régimes
- Régime linéaire (ε très petit, entre - ε0 et + ε0) : us = A0.ε, où l'amplification différentielle A0 est énorme (environ 105 pour le μA741).
- Régime saturé : us = ± Usat, un peu inférieur à Vp (environ ± 14 V pour ± 15 V).
L'A.O. réel a une résistance d'entrée très grande (de l'ordre du mégohm pour le μA741, bien plus pour le TL081), une résistance de sortie faible (quelques dizaines d'ohms) et une amplification très grande.
Résistance d'entrée infinie, résistance de sortie nulle, amplification infinie. Conséquences : les courants d'entrée sont nuls (ie = 0) et, en régime linéaire, ε = 0 (VE+ = VE-).
Avec A0 = 1,5.105 et Usat ≈ 15 V, la saturation est atteinte dès ε0 = 15 / 1,5.105 = 0,1 mV.
3. Boucle ouverte, boucle fermée
Trois façons de relier la sortie
- Boucle ouverte (aucune liaison entre la sortie et les entrées) : la moindre tension d'entrée sature l'A.O. ; us ne prend que les valeurs + Usat et - Usat. Avec une tension triangulaire sur E-, la sortie est un signal carré : fonctionnement logique, pas d'amplification.
- Réaction négative : la sortie est reliée à l'entrée inverseuse par un résistor. La sortie est stable, de même forme et de même fréquence que l'entrée : l'A.O. fonctionne en régime linéaire.
- Réaction positive : la sortie est reliée à l'entrée non inverseuse. La sortie bascule entre ± Usat : fonctionnement instable, régime saturé.
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