Amplificateur Opérationnel

[Timothé Lefebvre]

Bonjour à tous,

je dois faire une mini-présentation de ce système pour demain matin, le but étant de faire cet exposé devant ma classe.

J'ai essayé de bien piger le truc, tout le fonctionnement du binz et je dois avouer que j'ai rencontré quelques difficultés.

Voic les directives du prof :

- Différentes formes
- Fonctionnement / intérêt
- Différents montages (suiveur, comparateur, additionneur/sommateur, ...) et leur intérêt.

Avec les docs que j'ai sous les yeux (des livres d'électronique principalement car pour une fois mon ami Goole ne m'a pas aidé) j'ai pû pondre ceci :

I/ Intérêt et fonctionnement

Les buts de l'amplificateur opérationnel sont nombreux. A l'origine, ce système a été conçu pour la résolution analogique de problèmes numériques tels que l'études d'équations différentielles dont les solutions analytiques étaient inconnues.
[left]Cet outil a rapidement été destitué de ses fonctions en raison du développement de nouveaux moyens plus performants.[/left]

Ce type d'appareil est utilisé pour diverses choses : l'amplification des signaux, mais aussi leur comparaison ou leur trnasformation. C'est ainsi qu'il existe plusieurs types différents d'ampli op.

Le principe de base de tout ampli op est très simple : il s'agit d'amplifier la tension ou l'intensité d'un signal électrique. Pour ceci il suffit de faire un montage avec un ampli op comme suit : [J'ai mis un schéma main extrait d'un livre, j'en réponds donc]

Soient la tension d'entrée Ve et celle de sortie Vs. L'ampli op amplifie Ve qu'il reçoit et produit Vs, le tout sans déformer le signal (ce qui est bien sûr le but rechercher).

Le gain en tension, noté Gv, est donné par la relation :




[center]Gv = Vs/Ve[/center]




[left]Prenons un exemple simple : un microphone. Les tensions variables qui reproduisent les vibrations sonores n'atteignent que quelques millivolts. Le rôle de l'amplificateur est ici de les porter à quelques centaines de millivolts de façon à ce qu'elles soient recevables par un amplificateur de puissance qui actionnera les haut-parleurs.[/left]




Application directe : si l'ampli op connecté à notre micro reçoit une tension d'entrée Ve = 5 mV et qu'il délivre finallement une tension de sortie Vs = 700 mV, son gain de tension sera :




[center]Gv = 700/5 = 140[/center]

[left]II/ Différentes formes de motages[/left]

Il existe plusieurs formes d'ampli op dont les utilités sont différentes.

1 / L'amplificateur en mode comparateur de deux tensions

Il s'agit ici de brancher une entrée différentielle sur l'ampli op de façon à ce qu'il compare deux tensions, comme sur le schéma : [Idem que ci-dessus]
Les deux tensions d'entrées sont alors notées Ve1 et Ve2. La tension de sortie reste toujours Vs, tout comme le gain en tension que nous noterons aussi Gv.

Dans ce cas-là, la relation nous donnant Gv sera :




[center]Gv = Vs/Ve2-Ve1[/center]


[left]Ici j'ai la serieuse impression de m'être planté sévère ![/left]
Pouvez-vous confirmer et éventuellement me fournir quelques pistes ?
Wiki n'est vraiment pas clair là-dessus ou en tout cas pas assez pour le novice en électronique que je suis

Merci à vous et bonne fin de journée !

Tim

[Benjamin]

Bonjour,

Plusieurs choses qui ne vont pas.
Déjà, on ne peut pas parler d'ampli op sans parler du mode de fonctionnement. L'ampli op peut fonctionner de manière linéaire ou non. Dans le cas du comparateur de tension, tu as justement un fonctionnement non linéaire, c'est pour ça je pense que tu as l'impression de t'être planté.

Ensuite, un ampli op n'est pas un ampli tout court mais un ampli différentiel. En gros, il n'amplifie pas une tension Ve, mais il amplifie une tension différentielle vd qui vaut vd=V+ - V-, où + et 6 sont les 2 entrées de l'ampli. Et là, il faut alors parler du fonctionnement idéal ou non d'un AO.

Dans le cas d'un ampli réelle, tu as un gain non infini, de l'ordre de 10^6, et tu as Vs=vd*G. Ensuite, on définit ce qu'on appelle un ampli op idéal où le gain est infini, et où vd=0. Ce qui conduit à V+=V-. Mais attention, ceci n'est valable que si tu te trouves dans la zone de fonctionnement linéaire de l'AO !

Quand tu parles de Ve, j'imagine que tu as en fait V+ qui est relié à la masse et Ve sur l'entrée - (avec une résistance avant quand même, parce que sinon, ça marche pas.

En gros, avant de parler de montage avec AO (comme ton microphone), il faut parler de l'AO lui-même !!

Et enfin, l'AO n'est pas un ampli de courant. Puisque c'est un ampli différentiel de tension. D'ailleurs, avec un AO, on n'impose rien du tout sur le courant de sortie. C'est à cause de ça qu'on ne peut pas utiliser le théorème de Milman en sortie d'un AO d'ailleurs. Et le montage suiveur permet de faire une source de tension parfaite, ie qui délivre un courant fonction de la charge seule.

[Timothé Lefebvre]

D'accord, merci beaucoup pour tes explications, je vais m'en inspirer pour mon taf.

[Benjamin]

N'hésite pas à revenir poster tes nouvelles idées.

[Benjamin]

Je pense que cela peut bien t'aider.

Un truc quand tu fais des recherches google : utilise des mots anglais

[Timothé Lefebvre]

Ok alors voilà, il me faut détailer brièvement les montages fondamentaux suivants : suiveur, comparateur et sommateur (additionneur, je crois que c'est pareil mais j'ai rencontré les deux termes).

Voici quelques questions :

- Comment expliquer la différence entre un AO idéal et un AO réel ? Pour faire simple je comptais expliquer que l'un était impossible à réaliser dans la pratique mais avait l'avantage de mieux convenir à l'étude théorique car l'autre était affublé de trop de paramètres pour permettre une précision et une efficacité assez grande. C'est bon ou je "simplifie" un peu trop la chose ?

- Je ne vois pas trop comment expliquer ce qu'est le mode linéaire et le mode non-linéaire.

- Pour les différents montages je pense pouvoir m'appuyer sur le document que tu m'as passé pour en faire passer les rudiments à mes camarades (pour ceux que ça intéressera parce que dès 8h du mat' j'en connais pas beaucoup ...).

Voilà pour le moment, merci à toi :)

[Benjamin]

La différence est simple. Un AO réel a une résistance d'entrée non infini, et donc les courants d'entrées sont non nuls, il y a une résistance de sortie non nulle donc tu as une tension de décalage (un offset) qui apparait en sortie (d'ailleurs, certains AO présentes des broches où l'on peut mettre un potentiomètre afin d'annuler cette tension d'offset), et un gain non infini.

Pourquoi le modèle idéal, parce qu'en effet, c'est beaucoup plus simple pour l'étude théorique. Et tant que l'on reste dans la bande passante de l'AO, l'approximation est très proche de la réalité.

Pour le fonctionnement linéaire et non linéaire, il faut comprendre un truc. Un AO est un composant actif. Cela signifie qu'il a besoin d'être alimenté par une tension continué (on dit qu'il est polarisé). Il y a 2 broches d'alimentations d'un AO, et typiquement, on y met des tensions de +15V et -15V. Ces tensions de polarisation apportent l'énergie à l'AO pour qu'il amplifie la tension différentielle d'entrée et délivre la tension de sortie. Il est facile de comprendre (principe de conservation de l'énergie), que ta tension de sortie ne peux être plus grande que les tensions de polarisations.

Imaginons un AO qui a un gain de 200000. Si tu as à l'entrée de l'Ao une tension sinusoidale d'amplitude vd=0.1mV, tu aurais en sortie une tension sinusoidale d'amplitude vs=200000*0.0001=20V.

Or, ton AO est alimenté en -15/+15V. Tu ne peux donc pas avoir une amplitude de 20V en sortie. Ton signal sera écrêté entre -15 et +15V (comme sur cette figure).

En gros, tu n'as donc pas vs=G*vd, où G est le gain. Pourquoi on parle de fonctionnement linéaire ? Parce que mathématiquement, cela correspond à une fonction linéaire. Ainsi donc, tant que vd est suffisament petit pour que vs ne soit pas saturé, on a vs=G*vd et donc un fonctionnement linéaire de l'AO.

Si vd devient trop grand, la tension de sortie sature et tu as vs qui ne dépasse pas tes tensions d'alimentation de l'AO. Et alors la relation vs=G*vd n'est plus valable. Tu es dans la zone de fonctionnement non linéaire.

Dans le cas d'un AO idéal, quand tu fonctionnes dans la zone de fonctionnement linéaire, tu as vd=0 et donc V+=V-.

Si tu es dans la zone de fonctionnement non linéaire (cas du comparateur), tu as vd différent de 0, même dans le cas d'un AO idéal ! (mais tu as toujours des courants d'entrée nuls). Et alors, tu as vs=+ ou - Vsat selon le signe de vd.

A noter qu'en réalité, les tensions de saturations en sortie sont légèrement plus faible que les tensions d'alimentations, car tu n'as pas un rendement de 100% de ton circuit (logique).

[Timothé Lefebvre]

Ah d'accord !
Je comprends mieux la différence entre les deux, merci de tes lumières :)

Y a quand même une chose que je trouve sympa c'est qu'un circuit de ce type puisse calcule des équa diff, dérivées et autres intégrales comme ceci, je ne comprens pas vraiment le "passage" entre l'électronique et la résolution d'équa de ce genre (bien que j'ai conscience que ça doit être bien complexe et pas vraiment le thème de ma recherche !).

[Benjamin]

Euh non, c'est très simple en fait.

C'est la même chose avec un circuit RC quelque part.

Tu es d'accord que l'équation de charge d'un circuit RC, c'est uc'+uc/tau=E/tau ?
Ce qui donne comme solution uc=E*(1-exp(-t/tau)).

En fait, la tension aux bornes de ton condensateur lors de sa charge et la solution de l'équa diff y'+b*y=c, avec b et c des constantes.

C'est pareil avec un AO. Il suffit de placer unh condensateur judicieusement dans le circuit pour passer par exemple d'un signal carré en entrée à un signal triangle en sortie (comme certains oscillateur à pont de Wien par exemple).

[Timothé Lefebvre]

Ah c'est ce que j'avais intercepté dans un bouquin, donc je vois à peu près.

J'ai quelques affirmation à te montrer pour confirmation :

- L'AO compare la tension d'entrée à un potentiel de référence.

- Les entrées ne consomment presque pas de courant.

- Le gain ne dépend pas de l'AO mais des résistances.

[Benjamin]

Pour la première, c'est pas du tout ça.

Un AO est un amplificateur différentiel. A savoir qu'il amplifie une différence de tension vd=V+ - V-. Après, avec une certaine configuration (une boucle de réaction sur l'entée +), tu peux faire un montage comparateur, qui va permettre de comparer une tension Ve à une tension de référence. C'est le montage qui permet de faire ça. Grace à un AO. Mais l'AO reste un ampli différentiel !! Mais qui dans le cas du comparateur fonctionne de façon non linéaire. Tu n'as donc plus le fonctionnement d'un ampli différentiel classique tel que vs=vd*G. Tu as Vs=+ ou - Vsat selon le signe de vd (ce qui permet de comparer).

Pour un AO réel, les entrées ne consomment pratiquement pas de courant en effet. Et pour un AO idéal, on considère une résistance d'entrée infinie, donc on considère les courants d'entrées nuls.

Le gain de l'AO réel est ce qu'il est. Et il dépend uniquement de lui même. De l'ordre de 10^5 (et on le considère infini dans le cas d'un AO idéal).

Le gain d'un circuit avec AO ne dépend pas de l'AO en premier approximation.

En fait, quand je te disais de parler de l'AO avant de parler de circuit avec AO, je suis bien sérieux ! J'ai l'impression que tu mélanges un peu les 2.

Tu as l'AO d'un côté, avec ses caractéristiques (son gain propre, son fonctionnement propre), et tu as ensuite les circuits avec AO, qui eux aussi ont un gain, un fonctionnement etc...