Top 10 circuits fondamentaux d'amplificateur opérationnel

Les amplificateurs opérationnels (op amp) sont des dispositifs linéaires qui possèdent toutes les propriétés requises pour une amplification DC presque idéale, et sont donc largement utilisés dans le conditionnement ou le filtrage des signaux, ou pour effectuer des opérations mathématiques telles que l'addition, la soustraction, l'intégration et la différenciation. Le but de cet article est de présenter 10 circuits de base pour les débutants en conception électronique et de rafraîchir les connaissances des ingénieurs.

1. Suiveur de tension

Le circuit le plus basique est le tampon de tension, car il ne nécessite aucun composant externe. Comme la tension de sortie est égale à la tension d'entrée, les étudiants pourraient être perplexes et se demander si ce type de circuit a une application pratique.

Ce circuit permet de créer une entrée à très haute impédance et une sortie à faible impédance. Cela est utile pour interfacer les niveaux logiques entre deux composants ou lorsque l'alimentation est basée sur un diviseur de tension. La figure ci-dessous est basée sur un diviseur de tension, et le circuit ne peut pas fonctionner. En effet, l'impédance de charge peut avoir de grandes variations, ce qui fait que la tension V_out peut changer radicalement, principalement si l'impédance de charge a une valeur du même ordre de grandeur que R2.

Pour résoudre ce problème, un amplificateur est inséré entre la charge et le diviseur de tension (voir figure ci-dessous). Ainsi, Vout dépend de R1 et R2 et non de la valeur de la charge.

L'objectif principal d'un amplificateur opérationnel, comme son nom l'indique, est d'amplifier un signal. Par exemple, la sortie d'un capteur doit être amplifiée afin que l'ADC puisse mesurer ce signal.

2. Amplificateur opérationnel inverseur

Dans cette configuration, la sortie est renvoyée vers l'entrée négative ou inverseuse via une résistance (R2). Le signal d'entrée est appliqué à cette broche inverseuse via une résistance (R1).

La broche positive est connectée à la masse.

Ceci est évident dans le cas spécial où R1 et R2 sont égaux. Cette configuration permet de produire un signal complémentaire à l'entrée, car la sortie est exactement l'opposé du signal d'entrée.

En raison du signe négatif, les signaux de sortie et d'entrée sont en déphasage. Si les deux signaux doivent être en phase, un amplificateur non inverseur est utilisé.

3. Amplificateur opérationnel non-inverseur

Cette configuration est très similaire à celle de l'amplificateur opérationnel inverseur. Pour le non-inverseur, la tension d'entrée est directement appliquée à la broche non-inverseuse et l'extrémité de la boucle de rétroaction est connectée à la masse.

Ces configurations permettent l'amplification d'un signal. Il est possible d'amplifier plusieurs signaux en utilisant des amplificateurs sommateurs.

4. Amplificateur sommateur non-inverseur

Pour additionner 2 tensions, seuls 2 résistances peuvent être ajoutées sur la broche positive au circuit de l'amplificateur opérationnel non-inverseur.

Il est important de noter que l'ajout de plusieurs tensions n'est pas une solution très flexible. En effet, si une troisième tension est ajoutée avec exactement les mêmes résistances, la formule serait V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃).

Les résistances devraient être changées pour obtenir V_s = V₁ + V₂ + V₃, ou une deuxième option consiste à utiliser un amplificateur sommateur inverseur.

5. Amplificateur sommateur inverseur

En ajoutant des résistances en parallèle sur la broche d'entrée inverseuse du circuit d'amplificateur opérationnel inverseur, toutes les tensions sont additionnées.

Contrairement à l'amplificateur sommateur non-inverseur, tout nombre de tensions peut être additionné sans changer les valeurs des résistances.

6. Amplificateur différentiel

L'amplificateur opérationnel inverseur (voir le circuit numéro 2) amplifie une tension appliquée sur la broche inverseuse, et la tension de sortie est en opposition de phase. La broche non-inverseuse est connectée à la masse avec cette configuration.

Si le circuit ci-dessus est modifié en appliquant une tension à travers un diviseur de tension sur l'entrée non-inverseuse, on obtient un amplificateur différentiel comme indiqué ci-dessous.

Un amplificateur est utile non seulement parce qu'il vous permet d'ajouter, de soustraire ou de comparer des tensions. De nombreux circuits permettent de modifier des signaux. Voyons les plus basiques.

7. Intégrateur

Une onde carrée est très facile à générer, en basculant simplement un GPIO d'un microcontrôleur, par exemple. Si un circuit a besoin d'une onde triangulaire, une bonne méthode consiste à intégrer simplement le signal d'onde carrée. Avec un amplificateur opérationnel, un condensateur sur la voie de rétroaction inversée, et une résistance sur la broche d'entrée inverse comme illustré ci-dessous, le signal d'entrée est intégré.

Sachez qu'une résistance est souvent connectée en parallèle avec le condensateur pour des problèmes de saturation. En effet, si le signal d'entrée est une onde sinusoïdale de très basse fréquence, le condensateur agit comme un circuit ouvert et bloque la tension de contre-réaction. L'amplificateur fonctionne alors comme un amplificateur en boucle ouverte classique ayant un gain en boucle ouverte très élevé, et l'amplificateur est saturé. Grâce à une résistance en parallèle avec le condensateur, le circuit se comporte comme un amplificateur inverseur à basse fréquence, et la saturation est évitée.

8. Amplificateur opérationnel différenciateur

Le différenciateur fonctionne de manière similaire à l'intégrateur en échangeant le condensateur et la résistance.

Toutes les configurations qui ont été présentées jusqu'à présent.

9. Convertisseur courant - tension

Un photodétecteur convertit la lumière en courant. Pour convertir le courant en tension, un circuit simple avec un amplificateur opérationnel, une boucle de rétroaction via une résistance sur l'entrée non inversante, et la diode connectée entre les deux broches d'entrée permet d'obtenir une tension de sortie proportionnelle au courant généré par la photodiode, ce qui est manifeste par les caractéristiques de la lumière.

Le circuit ci-dessus applique la loi d'Ohm avec la formule fondamentale : la tension est égale à la résistance multipliée par le courant. La résistance est exprimée en Ohms et est toujours positive. Mais grâce aux amplificateurs opérationnels, une résistance négative peut être conçue !

10. Résistance négative

Une rétroaction sur la broche inverseuse force la tension de sortie à être le double de la tension d'entrée. Comme la tension de sortie est toujours supérieure à la tension d'entrée, la rétroaction positive à travers la résistance R1 sur la broche non-inverseuse simule une résistance négative.

Enfin, un circuit avec amplificateur opérationnel ne modifie pas nécessairement le signal d'entrée, mais l'enregistre comme l’amplificateur détecteur de crête.

Également : amplificateur opérationnel détecteur de crête

Le condensateur est utilisé comme mémoire. Lorsque la tension d'entrée sur l'entrée non-inverseuse est supérieure à la tension sur l'entrée inverseuse, qui est également la tension aux bornes du condensateur, l'amplificateur entre en saturation et la diode est polarisée directement et charge le condensateur. En supposant que le condensateur n'a pas une décharge spontanée rapide, lorsque la tension d'entrée Ve est inférieure à la tension aux bornes du condensateur, la diode est bloquée. Ainsi, la tension de crête est enregistrée grâce au condensateur.

De nombreux autres circuits sont disponibles avec des amplificateurs opérationnels, mais comprendre ces 10 circuits fondamentaux vous permet d'étudier facilement des circuits plus complexes.