Amplificateur operationnel
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INTRODUCTION: L'amplificateur opérationnel est un circuit intégré, c'est-à-dire un ensemble de transistors groupés par fonction : par exemple le circuit d'entrée, son alimentation, le circuit de sortie, son alimentation etc. Tous ces transistors sont gravés sur un petit morceau de silicium de quelques millimètre carrés; du fait que l'on ne peut pas les séparer les uns des autres, les utiliser indépendamment les uns des au-tres, on dit que c'est un circuit monolithique. L'amplificateur opérationnel, c'est 15 transistors dans moins que le volume d'un seul. L'amplificateur opérationnel sert à fabriquer des amplificateurs. Le mot opérationnel fait référence aux opérations, au calcul. Avant la généralisation des calculateurs digitaux (ordinateurs, PC) on se servait de calculateurs analogiques dont la brique de base était l'amplificateur analogique. Avec lui, on peut additionner, soustraire, multiplier, intégrer, dériver
L'ancêtre des ampli-op, le 709, est né en 1965. Au début de 1969, on introduisit le 741, modèle proté-gé, stabilisé, plus simple à utiliser et d'usage universel. Depuis, les ampli-op possèdent des caractéristiques qui s'approchent de celles du modèle idéal de ce composant.
Calculateur analogique des années 1950/1960 réalisé à base d’amplificateurs opérationnels à tubes
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AMPLIFICATEUR DE DIFFERENCE PARFAIT : Son étude constitue le prélude à celle de l'amplificateur opérationnel. En effet, dans ce dernier les premiers "étages" sont constitués d'amplificateurs de différence. L’amplificateur de différence, appelé aussi amplificateur différentiel ,comporte deux entrées recevant deux tensions V1 et V2; il délivre un signal de sortie Vs qui ne dépend que de leur différence: Vs=Ad.(V1-V2) Ad est le gain différentiel du montage En pratique Vs n'est jamais absolument indépendante de la valeur individuelle de V1 et de V2 et l'on peut écrire: Vs = A .(V1- V2) + Amc.(V1 + V2) Amc est le gain en mode commun 2 Le gain en mode commun correspond à un effet indésirable (la sortie n'est plus proportionnelle à la seule différence des entrées),par conséquent il doit être le plus petit possible. La tension Vs est en phase avec V1 et en opposition de phase avec V2. L’entrée V1 est appelée entrée non-inverseuse ou , l’entrée V2 entrée inverseuse ou -,on utilise souvent la notation: + V1=V+, V2=V-, alors Vs=Ad.(V+ - V-) 1)MONTAGE DE BASE DE L'AMPLIFICATEUR DIFFERENTIEL: R1 R2 c1 c2 T1 T2 V1 V2
fig.1
Le montage de base est constitué de deux transistors (bipolai-res ou à effet de champ) de caractéristiques identiques et montés symétriquement. Les signaux d'entrée sont appliqués entre la +Ese.)irlluog se( e soal dsign Le cahc te essamas buxdes dee unceetrue ue locllse (sortt la masérp éveleitrtse e tr sunoi sent ie asy-métrique ou montage à référence commune), alors, Vs=Ads.(V+-V-) avec Adsamplification différentielle simple; entre les soit deux collecteurs (sortie symétrique ou montage à sortie flottante), alors Vs=Ad.(V+-V-) avec Adamplification différentielle.
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2)ETUDE DU GAIN DU MONTAGE: Afin d'éviter un calcul relativement pénible,effectuons la constatation suivante: ⎧ posons⎨⎪V=c1VV+22dV alors⎪⎨⎧=1V2V=cV+cV⎛+⎝⎜V−V2dd⎟⎞⎠ ⎩⎪= V1 - V2⎩⎪⎪2 Le théorème de superposition des états électriques nous permet d'écrire: + Vc Vc Vs=Amc.Vc Vd/2 -Vd/2 Vs=Ad.Vd =
V1 V2 Vs=Ad.(V1-V2)+Amc.(V1+V2)/2
V1 + V2 Le comportement du système lorsque V1=V2= 2est appelé comportement enmode commun,alors Vd=V1-V2=0. Le comportement du système lorsque V1=-V2=Vd/2 est appelé comportement enmode différentiel V1 + V2 car alors =0. 2 Si nous considérons le modèle simplifié du transistor en petits signaux ci-dessous: ib h11 h21.ib alors, le schéma équivalent du montage de la figure n°1 en régime dynamique est le suivant:
Vc1 Rc Rc Vc1c2
h21.ib1 h21.ib2
ib1 ib2 V1 V2 fig.2 3) montage a sortie flottante : 3
La tension de sortie est prélevée entre les deux collecteurs. Il vient immédiatement la relation: = − − VC1C2h21RCib1ib2 En régime de mode commun, V1=V2, on en déduit:ib1=ib2, il en résulte : VC1C2= 0 En régime de mode différentiel, V1= - V2=Vd/2, la loi des mailles appliquée aux circuits d'entrées conduit à la relation: V1−h i=V2−h1i2 111 1 SoitV1−V2=h11ib1−ib2 − OuVd=h11ib1ib 2 On en déduit = − VC1C2RhC11Vd Il en résulte l'expression du gain différentielle: A=VC1C2= −RC dV1−V2 h11
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