L'amplificateur opérationnel

Cours · physique-chimie (Tronc Commun Sciences, Maroc), chapitre 22 · Maroc, Tronc Commun Sciences · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Dans une chaîne électronique, un signal de très faible amplitude (capteur, microphone, antenne) doit souvent être amplifié, comparé ou mis en forme avant d'être exploité. Le composant qui réalise ces opérations est l'amplificateur opérationnel (AO), aussi appelé amplificateur linéaire intégré (ALI). C'est un circuit intégré qui amplifie la différence de tension entre ses deux entrées. Ce chapitre présente l'AO, son modèle idéal et ses montages de base.

22.1 Présentation de l'amplificateur opérationnel

Définition 22.1Amplificateur opérationnel

L'amplificateur opérationnel (AO ou ALI) est un composant électronique qui délivre en sortie une tension proportionnelle à la différence des tensions appliquées à ses deux entrées. C'est un amplificateur de tension à très grand gain.

L'AO se représente par un triangle. Il possède plusieurs bornes :

Propriété : Les bornes de l'AO

l'entrée inverseuse, repérée par le signe $-$ , de potentiel $V^{-}$ ;
l'entrée non inverseuse, repérée par le signe $+$ , de potentiel $V^{+}$ ;
la sortie, de potentiel $V_{s}$ ;
deux bornes d'alimentation $+ V_{cc}$ et $- V_{cc}$ (souvent $\pm 15 V$ ), qui fournissent l'énergie au composant.

iRemarque

On appelle tension différentielle la grandeur $ε = V^{+} - V^{-}$ . C'est cette tension d'entrée que l'AO amplifie. Les bornes d'alimentation, indispensables au fonctionnement, ne sont en général pas représentées sur les schémas de montage.

22.2 L'amplificateur opérationnel idéal

Pour étudier simplement les montages, on remplace l'AO réel par un modèle simplifié : l'AO idéal.

Définition 22.2AO idéal

Un amplificateur opérationnel idéal est caractérisé par :

des courants d'entrée nuls : $i^{+} = i^{-} = 0$ . Les entrées ne « consomment » aucun courant ;
un gain différentiel infini : la sortie est très sensible à la moindre différence de tension entre les entrées.

iRemarque

Le fait que $i^{+} = i^{-} = 0$ signifie qu'aucun courant n'entre par les bornes $+$ et $-$ . Tout le courant qui arrive sur une entrée par une branche en ressort donc par les autres branches reliées à cette entrée : c'est la clé du calcul des montages.

La tension de sortie $V_{s}$ d'un AO ne peut pas dépasser les tensions d'alimentation : elle reste comprise entre $- V_{cc}$ et $+ V_{cc}$ . On dit que la sortie sature lorsqu'elle atteint ces valeurs limites, notées $\pm V_{s a t}$ (avec $V_{s a t} \approx V_{cc}$ ).

22.3 Les deux régimes de fonctionnement

Selon la façon dont l'AO est branché, il fonctionne dans l'un des deux régimes suivants.

Définition 22.3Régime linéaire

L'AO fonctionne en régime linéaire lorsqu'il existe une rétroaction négative (ou contre-réaction) : la sortie est reliée à l'entrée inverseuse $-$ (directement ou à travers un composant). Dans ce régime :

$V^{+} = V^{-} ⟺ ε = 0$

Important

En régime linéaire, pour un AO idéal, on utilise toujours les deux relations fondamentales :

$i^{+} = i^{-} = 0$ (courants d'entrée nuls) ;
$V^{+} = V^{-}$ (tension différentielle nulle).

Ces deux égalités suffisent à déterminer la tension de sortie de tous les montages linéaires.

Définition 22.4Régime saturé

L'AO fonctionne en régime saturé lorsque la sortie est reliée à l'entrée non inverseuse $+$ , ou lorsqu'il n'y a aucune rétroaction. La sortie ne prend alors que deux valeurs :

si $V^{+} > V^{-}$ (c'est-à-dire $ε > 0$ ), alors $V_{s} = + V_{s a t}$ ;
si $V^{+} < V^{-}$ (c'est-à-dire $ε < 0$ ), alors $V_{s} = - V_{s a t}$ .

22.4 Montages de base

22.4.1 Le montage suiveur

Définition 22.5Suiveur de tension

Dans le montage suiveur, la sortie est reliée directement à l'entrée inverseuse, et le signal d'entrée $V_{e}$ est appliqué sur l'entrée non inverseuse. Comme il y a rétroaction négative, le régime est linéaire :

$V^{-} = V_{s} et V^{+} = V_{e} ⟹ V_{s} = V_{e}$

Propriété

La tension de sortie « suit » exactement la tension d'entrée ( $V_{s} = V_{e}$ ). Le gain vaut $1$ : le suiveur n'amplifie pas la tension mais isole l'entrée de la sortie. Il sert d'adaptateur (la source débite un courant nul puisque $i^{+} = 0$ ).

22.4.2 L'amplificateur inverseur

Définition 22.6Montage inverseur

Dans l'amplificateur inverseur, l'entrée non inverseuse est reliée à la masse ( $V^{+} = 0$ ). La tension d'entrée $V_{e}$ est appliquée par une résistance $R_{1}$ sur l'entrée inverseuse, et une résistance $R_{2}$ relie la sortie à cette même entrée (rétroaction négative). Le régime est linéaire.

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