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opérationnel (AOP)
Dernière mise à jour : 05/04/2020Présentation
Cet article présente de façon succinte l'amplificateur opérationnel, appelé aussi AOP (Amplificateur OPérationnel) et fournit quelques exemples d'utilisation. Si vous voulez en savoir plus, faites comme moi : moteur de recherche (sur ce site ou ailleurs) et Hop ! le monde des schémas à base d'AOP s'ouvre à vous, avec moult courbes et formules s'il vous plaît... Bonne lecture !AOP ou ALI ?
Amplificateur OPérationnel ou Amplificateur Linéaire Intégré ? La deuxième appellation devrait être de rigueur, dixit le rectorat. Mais j'avoue que j'ai un peu de mal à m'y faire et que dans le descriptif de mes montages, j'emploie encore le terme AOP. Merci de votre compréhension.Commençons par le début...
Qu'est-ce qu'un amplificateur opérationnel (ou amplificateur linéaire intégré) ? Il s'agit d'un composant électronique qui permet d'effectuer une amplification différentielle sous forme d'opération mathématique simple (addition, soustraction, multiplication) et qui possède au moins 5 broches de connexion :- 1 entrée inverseuse notée "-"
- 1 entrée non-inverseuse notée "+"
- 1 sortie
- 2 broches "-V" et "+V" (ou "V-" et "V+") pour son alimentation en tension
Sans entrer trop dans les détails, voici ce que l'on peut retenir d'un AOP
- AC et DC - En mode de couplage direct (sans condensateur de liaison), un AOP peut traiter des tensions continues ou alternatives.
- Usage - Un AOP peut être utilisé pour décaler une tension continue, pour amplifier une tension continue ou alternative, il peut aussi être utilisé en comparateur de tensions (mais ce n'est pas son objectif initial).
- Impédance d'entrée - Les entrées inverseuse et non-inverseuse ont une impédance très élevée, des valeurs de 10 MO ou 100 MO sont courantes (un AOP idéal présenterait des entrées dont l'impédance est infinie). Cette caractéristique fait que les entrées ne prélèvent quasiment aucun courant au circuit auquel elles sont raccordées et bien souvent on considère ce courant comme nul.
- Impédance de sortie - La sortie possède une impédance très basse, de quelques ohms à quelques dizaines d'ohms en général (un AOP idéal présenterait une sortie dont l'impédance est nulle).
- Tension de sortie - La tension de sortie de l'AOP est en relation directe avec (est une fonction de) la différence de potentiel qui règne entre les deux entrées inverseuse et non-inverseuse. En théorie, la sortie devrait délivrer une tension nulle si on appliquait une tension de même valeur (et en même temps) sur les deux entrées inverseuse et non-inverseuse (tension de mode commun).
- Gain (Av, amplification en tension) - Le gain correspond au taux d'amplification en tension, au nombre de fois que la tension d'entrée va être multipliée. Le gain d'un AOP est généralement extrêmement élevé (plusieurs centaines de milliers, par exemple 160000 pour un classique LM741), quand on le fait travailler en boucle ouverte (sortie complètement isolée des entrées). En pratique et quand on veut utiliser un AOP en amplificateur linéaire, le gain est ramené à une valeur plus "raisonnable" de 10, 100, 1000 (voire un peu plus dans certains cas particuliers) en utilisant une résistance ou deux résistances qui permettent de ramener sur une des entrées, une fraction plus ou moins grande de la tension de sortie. Cette réinjection de la sortie vers l'entrée s'appelle une réaction ou contre-réaction. Plus la réaction ou contre-réaction est forte et plus le gain est réduit. Certains AOP ne sont pas stables (ils peuvent osciller spontanément) quand le gain est de faible valeur (gain de 1 à 3 par exemple). La tension de sortie d'un AOP est égale à la différence de tension entre les deux entrées (inverseuse et non inverseuse) multipliée par le gain. A noter qu'une contre-réaction présente l'avantage de réduire dans une certaine mesure les défauts de non-linéarité de l'AOP.
- Bande passante (bandwidth) - Elle correspond à la plage de fréquence dans laquelle l'AOP peut travailler avec un "gain acceptable". Elle est souvent exprimée pour un gain de 1, ou sous forme de "produit gain-bande" (GBW). Plus on demande à un AOP un gain élevé et plus sa bande passante se réduit. Si par exemple on dispose d'une bande passante de 100 kHz avec un gain de 100 (40 dB en tension), la bande passante peut être réduite à 10 kHz (10 fois moins) avec un gain de 1000 (60 dB, 10 fois plus que 40 dB). Autre exemple avec un AOP dont le produit gain-bande GBW est de 22 MHz et dont le gain Av est fixé à 100 : dans ce cas la bande passante BW est égale à GBW/Av = 220 kHz. La fréquence de coupure en boucle ouverte (sans contre-réaction) correspond à la fréquence pour laquelle le gain de l'AOP diminue de 3 dB par rapport au gain obtenu en tension continue : si par exemple le gain est de 120 dB pour une tension continue (ou à une fréquence très basse, par exemple 1 Hz), la fréquence de coupure sera celle pour laquelle le gain aura chuté à 117 dB (120 dB - 3 dB), ce qui peut par exemple se produire à une fréquence de 10 Hz.
- Alimentation (power supply) - De nombreux AOP sont conçus pour être alimentés de préférence avec une alimentation symétrique (alimentation double, une positive à relier à la broche +V, et une négative à relier à la broche -V). Certains modèles d'AOP se contentent néanmoins d'une alimentation simple (borne la plus positive de l'alimentation à relier à la broche +V, et borne la plus "négative" à relier à la masse). Un AOP prévu pour fonctionner avec une alimentation symétrique peut toutefois être utilisé avec une tension unique. De nombreux AOP sont prévus pour fonctionner avec une tension maximale de 36 V (+/-18V), certains acceptent plus (mais ils sont rares) et beaucoup accèptent moins (cas des AOP conçus pour les applications portables et dont la tension d'alimentation maximale ne peut excéder 5,5V ou 6V).
- Consommation (supply current) - La consommation est généralement de l'ordre du mA pour un AOP. Certains consomment très peu de courant (quelques dizaines de uA) alors que d'autres réclament plusieurs mA. D'une manière générale, les AOP capables de monter haut en fréquence réclament une intensité de courant plus élevée. Ce point qu'on peut "négliger" dans un système alimenté par le secteur devient crucial pour un système portable alimenté par pile ou batterie.
- Mise en veille (shutdown) - Certains AOP possèdent une fonction de mise en veille qui permet de faire chuter le courant consommé à une valeur ridicule. Là encore, ce point est grandement apprécié pour les applications portables.
- Excursion de tension en sortie (swing) - Les tensions extrêmes maximales que peut délivrer un AOP n'atteignent pas la valeur de sa ou de ses tensions d'alimentation. Selon les modèles d'AOP, une différence de 2 V peut être observée (dans ce cas, avec une alimentation +/-15 V, la tension en sortie de l'AOP ne pas excéder +/-13 V). Si cela ne pose généralement pas de problème avec des tensions "élevées", il faut savoir que cela peut constituer une limitation gênante dans certaines applications, notemment quand l'alimentation se fait par pile. Un appelé dit "rail-to-rail" possède une très faible tension de déchet et la tension de sortie peut s'approcher de très près de la valeur des rails d'alimentation (-V, 0V ou +V selon la configuration).
- Courant de sortie maximal - Un AOP ne peut généralement délivrer qu'un courant de sortie assez modeste, de quelques mA. Le courant de court-circuit de la sortie correspond à la valeur maximale de courant que l'AOP peut débiter quand la sortie est reliée à la masse. Pour certains AOP, ce courant de court-circuit est limité en interne, pour d'autres il n'est pas limité et peut être destructeur s'il dure trop longtemps.
- Temps de montée (slew-rate) - Le temps de montée correspond au temps que met la tension en sortie pour monter ou pour descendre d'une certaine quantité sur une durée donnée. Il est spécifié par le constructeur pour un gain de 1. On peut par exemple trouver des valeurs de 0,5 V/us (cas du LM741), 10 V/us (par exemple MC33272), 180 V/us (par exemple LTC6226) ou encore 1000 V/us (par exemple THS4631). Le temps de montée conditionne directement la fréquence maximale et l'amplitude maximale de sortie que l'AOP peut traiter. Plus le slew-rate est élevé et plus l'AOP peut travailler avec des signaux rapides (de fréquence élevée). La valeur du slew-rate est d'autant plus "critique" que l'amplitude des signaux délivrés sur la sortie de l'AOP doit être élevée à des fréquences élevées (plus on monte en fréquence et plus il est difficile d'atteindre la tension maximale possible en sortie de l'AOP).
- Offset (tension de décalage) - Normalement (en théorie), la tension en sortie d'un AOP est proportionnelle à la différence de tension entre ses entrées inverseuses et non inverseuses. Si on applique une tension identique sur les deux entrées (qu'on court-circuite pour l'occasion), la sortie devrait délivrer une tension nulle. Or souvent ce n'est pas le cas, on constate la présence d'une tension continue de quelques mV qui est due aux imperfections de l'étage d'entrée différentiel. En fait, cette tension d'offset correspond à la différence de tension qu'il faudrait appliquer entre les entrées inverseuses et non inverseuses pour avoir 0 V en sortie. Certains AOP possèdent une ou plusieurs entrées pour annuler cette tension d'offset (avec ajout d'un potentiomètre), d'autres n'en possèdent pas. Cette tension d'offset est parfois gênante (surtout quand on adopte un gain élevé), parfois elle n'est pas gênante. Quand sa valeur est problématique (critique), on s'arrange pour choisir un AOP dont la tension d'offset est garantie de très basse valeur. Par exemple, le LTC6226 de Analog Device présente une tension d'offset d'entrée de 95 uV maximum, avec une dérive de 0,4 uV/°C.
- Niveau de bruit (noise) - Chaque composant électronique, même une simple résistance, possède un niveau de bruit qui lui est propre. Le niveau de bruit "ramené à l'entrée" d'un AOP dépend beaucoup de son modèle (de sa technologie et mode de fonctionnement). Ce niveau de bruit, exprimé en "V/Hz" (par exemple 1nV/√Hz pour le LTC6226) est d'autant plus critique que les signaux à traiter (appliqués à l'entrée) sont de faible amplitude.
- Distorsion - Le taux de distorsion exprime la "quantité de déformation" que subit le signal de sortie par rapport au signal d'entrée. Il peut être exprimé en pourcentage (par exemple distorsion de 0,01%) ou en décibels (par exemple -90 dBc). Un taux de distorsion n'est significatif que si on précise dans quelles conditions il a été mesuré. Dire qu'un AOP présente un très faible taux de distorsion harmonique avec un signal d'entrée de 1 kHz / 1 V / gain de 10 et sortie chargée sous 10 kO ne renseigne aucunement sur les capacités du composant à traiter un signal d'entrée de100 kHz / 4 V / gain de 100 et sortie chargée sous 1 kO !
- Boîtier (package) - Un même AOP peut être proposé dans différents types de boîtier par son fabricant : DIL, SIL, SOIC, etc. L'amateur comme moi préfère les gros boîtiers qui se manipulent aisément. Je regarde toujours d'un oeil douteux un AOP à 8 broches tenant sur une surface de 2mm x 2mm...
Conventions
Pour les schémas d'exemple qui vont suivre, j'adopterai toujours les conventions suivantes :- Un triangle est utilisé pour représenter
l'amplificateur opérationnel (AOP)
- Quand elle est dessinée, la broche positive d'alimentation (+V) est située vers la gauche du triangle et est dirigée vers le haut
- Quand elle est dessinée, la broche négative d'alimentation (-V) est située vers la gauche du triangle et est dirigée vers le bas
- L'entrée Non-Inverseuse est située à gauche
et est représentée par le signe "+"
- L'entrée Inverseuse est située à gauche et
est représentée par le signe "-"
- La sortie est représentée par la pointe du triangle
et est dirigée vers la droite
Amplificateur inverseur
Il s'agit, avec le montage en amplificateur inverseur, d'une des applications les plus rencontrées de l'amplificateur opérationnel.
Comme il l'a été dit avant, un AOP présente un gain immense, rarement exploité tel quel (sauf pour les comparateurs de tension, voir plus loin). L'ajout de deux résistances permet de contrôler le gain avec une grande précision, c'est ce que montre le schéma ci-avant. On place d'abord une résistance entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'AOP : cette résistance est appelée résistance de contre-réaction. Puis on place une seconde résistance entre l'entrée inverseuse et l'entrée effective du montage. Le choix de ces deux résistances va permettre de déterminer le gain. Pour un montage inverseur, le gain est défini par la relation suivante :
Gain = R2 / R1
C'est tout ? Bah oui, c'est très simple en fait. Dans l'exemple précédent, les résistances R2 de 100 kO (100000 ohms) et R1 de 10 kO (10000 ohms), impliquent donc un gain de 10. Gain de 10... Très bien, mais encore ? Eh bien un gain de 10 veut simplement dire que si vous appliquez une tension de 0,1 V en entrée, vous aurez 10 fois plus en sortie, c'est à dire 1 V. Pour être précis, nous aurons -1 V puisque le montage inverse la polarité de la tension d'entrée. Vous voulez un gain de 47 ? Il vous suffit de donner à R2 la valeur de 470 kO, et le tour est joué !
Remarques
- Le gain dont il est question dans les lignes précédentes exprime un rapport, un taux d'amplification. Il n'a pas d'unité (le gain est de 10x, ce qui n'est pas équivalent à 10 dB).
- Certains appellent ce montage amplificateur à gain négatif (de gain -10 dans le cas présent) parce que l'amplificateur inverse la phase (la polarité) du signal qu'on lui fournit. Personnellement, je préfère parler d'amplificateur inverseur de gain 10, pour éviter toute confusion avec le gain exprimé en dB qui, quand il est négatif, correspond à une atténuation.
Amplificateur non-inverseur
Montage très classique là aussi, et qui ressemble fort au précédent. Les deux schémas de câblage ci-dessous sont les mêmes, seule la disposition des résistances diffère entre les deux. Notez comment on peut tout de suite interpréter différement un schéma, simplement en modifiant l'emplacement de quelques composants...
Comme pour le montage en amplificateur inverseur, le gain de ce montage est déterminé par une relation entre les valeurs de R2 (cette résistance R2 est ici aussi appelée résistance de contre-réaction) et R1. La formule diffère légèrement de celle vue juste avant, mais reste vraiment très simple elle aussi :
Gain = (R2 / R1) + 1
Avec 100K pour R2 et 10K pour R1, le gain est donc de 11.
Remarque : Pour le montage non-inverseur comme pour le montage inverseur, la contre-réaction (réinjection d'une portion du signal de sortie sur l'entrée) s'effectue toujours sur l'entrée inverseuse.
Suiveur de tension
L'usage d'un AOP pour réaliser un amplificateur de tension est presque évident quand il s'agit... d'amplification. L'usage d'un AOP monté en suiveur de tension (voltage follower en anglais) peut paraître moins évident au premier abord, puisque l'amplitude du signal en sortie de l'AOP est égale à celle appliquée sur son entrée (c'est pourquoi on l'appelle suiveur - ou répéteur - de tension). Alors quel interêt ?
La lecture des lignes en haut de cette page donne la réponse : entrée à très haute impédance, et sortie à très faible impédance. Montage idéal pour réaliser un adaptateur d'impédance, et particulièrement apprécié quand il s'agit de prélever un signal sur une source dont l'impédance de sortie est très élevée. Comme la contre-réaction est totale (la totalité du signal de sortie est réinjecté sur l'entrée inverseuse), le gain est de un (pas d'amplification, ni d'atténuation). En pratique, ce gain sera toujours un tout petit peu inférieur à un, mais on néglige cette toute petite perte.
Attention : si l'AOP est alimenté en mono-tension (broche d'alim V- reliée à la masse par exemple, ce point est abordé plus loin) alors sa sortie délivre une tension égale à sa tension de déchet, tant que la tension d'entrée (appliquée sur l'entrée non-inverseuse) est inférieure à cette tension de déchet. Exemple : si la tension de déchet de l'AOP est de 1 V sur le rail V-, alors toute tension d'entrée comprise entre 0 V et +1 V conduira à une tension de +1 V en sortie. Dans cette plage de tension d'entrée, le montage ne se comporte plus comme un suiveur de tension. Solution : utiliser un AOP "rail-to-rail" ou l'alimenter avec une tension symétrique (double).
Sommateur (additionneur)
Ce type de montage est utilisé pour sommer (on dit aussi
additionner ou mélanger) plusieurs signaux entre eux. C'est en
quelque sorte un "mixeur" possédant au moins deux
entrées et une seule sortie.
Ce montage peut effectuer le mélange en apportant ou non du gain, il suffit de choisir la valeur des résistances qui va bien. Chose plus intéressante encore, il est possible de choisir une valeur différente pour chaque résistance d'entrée (R1, R2 ou R3 sur le schéma précédent), de telle sorte que le signal appliqué sur chaque entrée ne soit pas amplifié de la même façon. Si par exemple on donne à R1 la valeur de 10K, et que l'on donne à R2 la valeur de 20K, un signal appliqué sur l'entrée 1 (avec R1) sera deux fois plus amplifié que le même signal appliqué sur l'entrée 2 (avec R2), car le rapport avec la résistance R4 est deux fois plus grand (10 contre 5).
Comparateur de tension
Dans ce type d'application, on met à profit le très grand gain de l'AOP, et on ne laisse la sortie avoir que deux valeurs de tension possibles : la tension max qu'il peut fournir, et la tension min qu'il peut fournir. Toutes les tensions intermédiaires ne peuvent exister de façon "stable", car le gain est ici tellement important, que la moindre petite différence de tension entre les deux entrées inverseuse et non inverseuse est amplifiée à un tel point qu'elle ne peut que "buter" contre les bornes imposées par la tension d'alimentation. Imaginez simplement une différence de tension de 1 mV, alors que le gain est de 500000 : la sortie va désespérement essayer d'atteindre 500 V... mais n'y arrivera évidemment pas, car l'alimentation n'est que de 15 V. Il existe plusieurs façon de câbler un AOP en comparateur de tension, mais les deux schémas ci-dessous devraient normalement suffire pour comprendre les grandes lignes, et vous permettre ensuite d'adapter l'engin à votre sauce.
Dans le premier cas (schéma de gauche), la tension présente sur l'entrée "+" est inférieure à la tension présente sur l'entrée "-". La sortie de l'AOP reste à l'état logique bas, et la led verte s'allume. Dans le second cas (schéma de droite), la tension présente sur l'entrée "+" est supérieure à la tension présente sur l'entrée "-". La sortie de l'AOP passe à l'état logique haut, et c'est maintenant la led rouge qui s'allume. Il peut sembler curieux d'utiliser les termes "niveau logique bas" ou "haut" pour une sortie d'AOP, qui fait plus partie du monde analogique que du monde numérique. Cependant, on peut bien se le permettre ici, car la sortie de l'AOP (un LM324), ne délivrera jamais sur sa sortie d'autres tensions que la plus petite ou la plus grande qu'il peut fournir. Notons au passage que l'alimentation utilisée ici est de type simple. En comprenant la logique présentée ci-avant, vous devriez être en mesure d'adapter ce schéma pour lui permettre de détecter n'importe quel dépassement, dans un sens ou dans l'autre, d'une tension à surveiller, par rapport à une tension de référence.
Différence avec un vrai comparateur de tension
Un internaute me signalait récement qu'il était surpris qu'on utilise pour un comparateur de tension (LM311 par exemple), un symbole identique à celui d'un AOP alors qu'il ne s'agit pas d'un AOP. Il est vrai que d'un point de vue fonctionnel, les deux composants reposent sur un principe similaire, il possèdent tous deux deux entrées (+ et-) et une sortie dont l'état dépend de la différence de tension entre les deux entrées. Si on peut utiliser un AOP en tant que comparateur en le faisant fonctionner en boucle ouverte (pas de réaction de la sortie vers une entrée), il n'est pas commun d'utiliser un comparateur en tant qu'AOP en lui ajoutant une résistance de contre-réaction. Ce dernier n'est pas du tout prévu pour cela. Une attention particulière doit être portée sur la vitesse de réaction d'un AOP utilisé en comparateur. En boucle ouverte, son gain s'écroule et on ne peut pas le faire fonctionner à grande vitesse. Restons logiques : un AOP est conçu à la base pour travailler avec des signaux dans un régime linéaire, avec une distorsion la plus faible possible. On peut l'utiliser comme comparateur mais ce n'est pas toujours une bonne idée. Un comparateur de tension quand à lui est étudié pour travailler en régime bloqué/saturé. Alors évidement la structure de sortie de ces deux composants ne peut pas être la même. Quand on veut faire travailler un comparateur de tension à grande vitesse, mieux vaut ne pas utiliser un AOP, mais plutôt un comparateur de tension rapide (MAX961, AD790 ou LT1016 par exemple). Petit mot pour finir ce paragraphe : dans les documents constructeurs (datasheet) les données techniques qui expriment le "temps de réaction" ou temps de montée/descente peuvent porter plusieurs noms : rising/falling time, ou slew-rate. A titre d'exemple extrême, le temps de propagation d'un AOP faible consommation peut s'exprimer en millisecondes, là où celui d'un comparateur rapide peut s'exprimer en nanosecondes (rapport de vitesse de un million, tout de même).Oscillateur
Ici, on s'arrange pour que l'AOP délivre un signal répétitif (on dit périodique) de forme carrée. Notons au passage que cela lui arrive de le faire alors qu'on ne lui demande rien (oscillation parasite), et que cela est dans ce cas évidement très gênant.
En ajoutant une résistance et un condensateur, il est possible de réaliser un oscillateur à pont de Wien délivrant une tension de forme sinusoïdale. Exemple : Générateur audio 010.
Autres usages de l'AOP
L'AOP peut aussi être utilisé pour réaliser :- des filtres actifs (passe-bas, passe-haut, passe-bande, rejecteur, à accord électronique, ...)
- des amplificateurs pour capteurs et pour ponts de mesure
- des redresseurs à diodes
- des opérations mathématiques complexes (logarithmique, anti-logarithmique, exponentielle, multiplication, division...)
- des amplificateurs de différence
- des intégrateurs, des dérivateurs
- des temporisateurs, des monostables
- des triggers (deux seuils de basculement différents)
- des comparateurs à fenêtre
- des convertisseurs tension / courant (amplificateurs à transconductance)
- des références de tension ou de courant (pour alimentations stabilisées par exemple)
- des simulateurs de self (montage en gyrateur)
Types de boîtier
Dans le monde amateur, on utilise souvent des AOP en boîtier traversant (DIP8/DIL8 ou DIP14/DIL14 par exemple). Le brochage est le même pour une grande variété d'AOP, ce qui facilite les échanges et essais en phase de développement. Les AOP simples, doubles et quadruples sont presque toujours proposés avec le câblage suivant :
Le circuit intégré LM324 (AOP quadruple) possède ainsi le même brochage qu'un TL084 (AOP quadruple) et on peut les interchanger pour tests. Pour ce qui est des broches d'alimentation V+ et V-, on peut les utiliser de différentes manières :
- V- à la masse et V+ à une tension positive par rapport à la masse (par exemple +12 V)
- V- à une tension négative par rapport à la masse (par exemple -12 V) et V+ à une tension positive par rapport à la masse (par exemple +12 V)
- V- à une tension négative par rapport à la masse (par exemple -12 V) et V+ à la masse
Toujours 8 broches pour les AOP simples ?
Quasiment tout le temps, quand il s'agit de composants traversants. Mais dans le monde des CMS (composants montés en surface) où on cherche à tout miniaturiser, on trouve des AOP simples à 5 broches (LMV651 par exemple) ou 6 broches (LMV711 par exemple).Quel AOP choisir ?
Il est vrai qu'il n'est pas toujours évident de choisir un AOP pour une application donnée. Certains paramètres sont plus importants que d'autres dans telle situation, alors que leur importance devient bien moindre dans telle autre situation. Vous pouvez choisir un AOP en fonction de sa consommation, de son niveau de bruit propre, de sa bande passante, de son slew-rate (temps de montée, qui détermine sa capacité à passer rapidement d'une valeur à une autre), de la tension d'alimentation maximale qu'il peut supporter, du courant de sortie qu'il est capable de débiter ou d'absorber, etc. Pour un usage classique, vous pouvez par exemple commencer à vous orienter vers des circuits de la famille TL08x (TL081, TL082 ou TL084). Vous souhaitez des circuits qui "soufflent" un peu moins ? Regardez alors du côté de la série des TL07x. Votre priorité est une faible consommation ? Allez donc vous renseigner sur la série TL06x. Vous devez impérativement opérer avec une alimentation simple ? LM358 (version double) ou LM324 (version quadruple) par exemple. Le courant d'entrée doit être le plus faible possible ? Le CA3130 fera peut-être l'affaire. Tension d'alimentation supérieure à +/-18 V ? Une recherche chez les fabricants s'impose, on peut par exemple utiliser le MC1436 qui supporte une alim de +/-34 V (il y a aussi le LM675, mais son boîtier ne me plaît pas). Une page concernant les AOP dans le domaine de l'audio, donne quelques exemples d'AOP, il ne s'agit évidement pas d'une liste exhaustive, mais vous trouverez peut-être quelques références intéressantes. Pensez aussi à consulter de temps en temps les sites internet des fabricants, qui proposent parfois des systèmes de recherche assez bien foutus et surtout très complets (tables paramétriques). Vous découvrirez ainsi par exemple que les bons vieux LM741, TL071 ou TL081 peuvent avantageusement être remplacés par un TLC271 ou par un TLV271. Ou encore que les TL072 (ou TL082) et TL074 (ou TL084) peuvent dans bien des cas être remplacés respectivement par un TLV2252 (ou TLV2262) et par un TLV2254 (ou TLV2264). Ces derniers ont l'avantage de consommer fort peu de courant et d'être de type "rail-to-rail" (très faible tension de déchet en sortie), ce qui les rend particulièrement attrayants dans les montages où la tension d'alimentation est faible et où il faut faire de l'adaptation analogique en vue d'une conversion numérique, avec un PIC doté d'un CAN par exemple.Alimentation double (symétrique) ou simple (asymétrique) ?
Peut-on faire fonctionner un LF356 ou un TL072 avec une alimentation simple, alors qu'ils sont initialement conçus pour fonctionner avec une alimentation symétrique ? La réponse est oui. Et cela malgré le fait que certains revendeurs classent les AOP dans des catégories distinctes appelées AOP Alim double et AOP Alim simple. Il est vrai aussi que beaucoup de feuilles de caractéristiques (datasheet) ne mentionnent pas précisément ce point, et que cela est une des causes probables de la confusion qui règne à ce sujet. En réalité, il est possible de faire fonctionner n'importe quel AOP avec une alimentation simple. Le TL072 n'a pas de broche de masse, et n'a pas les moyens de savoir comment votre alimentation est conçue. Prenez l'exemple d'un TL072 alimenté en +/-15V. Que voit-il sur ses bornes 4 et 8 ? du -15 V et du +15 V, ou une masse (0 V) et du +30 V ? Vous le voyez, tout n'est question que d'appellation et de référence. Après, à vous de décider ce que sera la masse. Dans tous les cas, vous en conviendrez, il est nécessaire d'envoyer sur les entrées de l'AOP, des tensions qui soient cohérentes avec la tension d'alimentation. Vous n'avez pas l'intention je pense, de lui donner à manger une tension variant de -4 V à +4 V, s'il est alimenté entre masse et +18 V, n'est-ce pas ? Non ? Si ? Hum... Et si on décidait de décaler la tension de -4 V/+4 V vers le haut pour rester dans le domaine des tensions positives, qu'en pensez-vous ? Ca marcherait ou pas ? Allez, on essaye ! Un offset de tension continue de +4 V (appelez ça une tension de polarisation si vous le souhaitez) superposée à notre tension alternative de 8 V crête à crête et zou, nous voilà sauvés ! La tension évolue maintenant non plus entre -4 V et +4 V, mais entre 0 V et 8 V. Et comme la tension d'alim va de 0 V à +18 V, tout va pour le mieux dans le meilleur des mondes ! re-Hum... Vous êtes sûr ? Vous avez essayé de le faire vraiment ? Parce que si vous le faites vraiment, vous allez tomber sur un os. Ne sont pas si courants que cela les AOP dont la sortie accepte de fonctionner si près des bornes d'alimentation. Vous devez vous réserver une marge aussi bien du côté négatif que du côté positif de l'alimentation, si vous voulez éviter un méchant écrêtage (rabotage). L'idéal étant que les entrées se trouvent toujours à quelques volts de distance des bornes d'alimentation. Si vous avez besoin d'un AOP dont la sortie puisse excursionner de façon très rapprochée des bornes d'alimentation (on dit aussi rails d'alimentation), il vous faudra choisir soigneusement le composant, qui sera alors de type "rail-to-rail". Un LM324, un LM358 ou un LMC660 par exemple, sont capables de fonctionner très près de la branche d'alimentation négative. Mais les AD820, LMV358M ou TLV2252 vont encore plus loin (ou plus près, si vous préférez).A retenir : si les entrées sont maintenues à un potentiel dont la valeur est moitié de la tension d'alimentation et que le montage est voué à une application audio, tout se passera bien même avec une alim simple ! Serait-ce donc en lien avec les masses virtuelles ?
Mise en oeuvre d'un AOP avec alim simple
Rien de tel que quelques petits schémas, pour montage amplificateur non inverseur, et pour montage amplificateur inverseur.
On retrouve parfois les deux schémas précédents mais un peu simplifiés (les composants n'ont pas été renommés pour mieux laisser voir ceux qui ont été retirés) :
Tous les AOP ne se ressemblent pas...
Même en "usage général", certains AOP s'en sortent moins bien que d'autres. D'ailleurs, si tous les AOP pouvaient remplir toutes les fonctions, il n'y aurait sans doute pas autant de références ! N'hésitez pas à faire des tests avec des AOP de récupération, pour "valider" telle ou telle application.Valeur des tensions d'alimentation
S'il est vrai qu'un AOP conçu pour fonctionner avec une alimentation double de +/-15 V peut fonctionner avec une alimentaton simple de +30 V, il faut savoir que les performances globales peuvent être réduites si on le sous-alimente fortement. Le fonctionnement des AOP est étudié pour qu'ils donnent leur pleine mesure à une tension proche de la tension nominale, qui en général est inférieure de quelques volts aux tensions maximales tolérées avant destruction. Ainsi, un AOP prévu pour travailler à +/-15 V fonctionne avec un courant de repos bien précis qui détermine son points de fonctionnement. Si on réduit sa tension d'alimentation à une tension simple de +5 V, son fonctionnement général s'en trouve affecté, aussi bien au niveau de son point de polarisation qu'au niveau des tensions d'offset et tension max d'entrée. Il n'est donc pas recommandé de faire fonctionner un AOP avec une tension très inférieure à sa tension nominale, si on veut conserver ses performances maximales. En revanche rien n'interdit de le faire si ladite baisse de performances (qui n'est pas forcément énorme, il faut savoir relativiser) n'est pas un problème. Dans un contexte professionnel, le choix d'un AOP doit se faire de façon réfléchie, les concepteurs doivent consulter les documents constructeur (datasheet) pour savoir quel composant est le mieux adapté à leurs besoins. Pour une utilisation sous une tension d'alimentation réduite, par exemple 3 V ou 5 V, il vaut mieux généralement opter pour des AOP "basse tension" prévus d'origine pour travailler sous ces tensions faibles.Questions diverses
Q : Dans aucun des schémas présentés, on ne voit la masse directement raccordée à une broche de masse sur l'AOP. S'agit-il d'un oubli ?R : Les AOP ne disposent pas de broche de masse, et il est vrai que cela peut sembler curieux puisqu'ils ont deux broches réservées pour leur alimentation. La masse peut cependant être reliée à la broche d'alimentation -V si l'alimentation est de type simple (par opposition à l'alimentation double). Mais dans ce cas, l'AOP n'est plus en mesure de délivrer de tensions négatives.
Q : La bande passante d'un AOP pouvant être très grande, pourquoi ne pas en profiter pour étendre la plage de fréquence à amplifier. Par exemple, limiter la bande passante à 500 kHz pour passer la BF le mieux possible (je pense aux signaux carrés à 18 kHz) ?
R : Un signal carré à 18 kHz sera perçu comme une sinus de 18 kHz, car l'oreille n'entendra pas les harmoniques de ce signal carré. De plus, la stabilité d'un amplificateur est très étroitement liée à son gain. Plus le gain est élevé, et plus la tendance à l'oscillation (parasite) est forte. Alors autant rester raisonnable et se contenter du vraiment utile.
Q : Mais pourquoi donc la plupart des AOP nécessitent-ils une alimentation double pour fonctionner correctement ? Une alimentation simple est tout de même plus simple à construire !
R : Les AOP ont été conçus pour travailler au-dessus et au-dessous de 0V. Dans le domaine audio, cela permet par exemple de se passer de condensateur de liaison. Ceci dit, n'importe quel AOP est capable de travailler avec une alimentation simple (voir paragraphe concernant ce sujet, sur cette même page) avec parfois quelques contraintes.
Q : Quand on utilise une tension symétrique, est-il obligatoire que la tension positive soit de même valeur que celle de la tension négative ?
R : Ce n'est pas obligatoire quand la plage de fonctionnement souhaitée dans la partie négative n'est pas la même que celle demandée dans la partie positive. En audio, cela est plutôt rare, mais cela peut se rencontrer dans certains autres montages.
Historique
05/04/2020- Ajout explications au paragraphe des caractéristiques (termes) techniques.
26/12/2015
- Ajout brochages standards des AOP simples, doubles et quadruples.
15/03/2015
- Ajout infos concernant l'AOP monté en comparateur de tension.
20/11/2011
- Ajout infos concernant les valeurs de tension d'alimentation et conséquences de sous-alimentation.