L'amplificateur opérationnel : AOP

Un amplificateur opérationnel, appelé aussi AOP, est un composant électronique actif, conçu à partir de semi-conducteurs ; principalement des transistors de type NPN ou PNP et de résistances électriques, dont la fonction principale est d'amplifier un signal électrique résultant de la différence de deux tensions généralement nommées V+ et V-

Donc à la base, un amplificateur opérationnel est un composant actif nous permettant de calculer la différence entre deux signaux reçus dans ces deux entrées V+ et V. En le câblant d'une manière différente, ce même composant peut être utilisé autrement en créant d'autres fonctionnalités électriques différentes du différentiel de tension. Nous allons détailler tout cela dans la section Montage de base avec un AOP

Symbole d'un AOP

Un amplificateur opérationnel ou AOP est modélisé comme suit :

Comme vous le constatez, un AOP dispose de plusieurs entrées et d'une seule sortie tel que:

• V₁ ou V+ : est l'entrée non-inverseuse, reprérée toujours par le symbole (+). Si la tension sur cette entrée augmente, la tension à la sortie de ce composant augmente sans inversion de phase.
• V₂ ou V- : est l'entrée inverseuse de notre composant, repérée toujours par le symbole (-). Si la tension sur cette entrée augmente, la tension à la sortie de ce composant diminue avec une inversion de phase.
• V_out : la sortie de notre amplificateur opérationnel qui représente le résultat du post-traitement des deux signaux V₁ et V₂.

De plus, un amplificateur dispose aussi de deux autres connexions importantes ; ce sont les entrées d'alimentations en V_S+ et V_S-. En général, ces deux connexions sont symétriques telles que : \( V_{S+} = -(V_{S-}) \). Dans le cas pratique, cette valeur de référence d'alimentation V_S+ et V_S- de l'AOP varie en fonction des caractéristiques techniques de ce composant dont principalement le facteur d'amplification que nous allons appeler A

Principe de fonctionnement

Un amplificateur opérationnel est un composant qui amplifie la différence des deux signaux reçues à ses deux entrées V₁ et V₂ telle que :

\[ V_{out} = A \cdot (V_{1} - V_{2}) \]

Avec :

• A : le facteur d'amplification de notre composant
• V₁ : le signal reçu à l'entrée V₊
• V₂ : le signal reçu à l'entrée V_-

D'un point de vue fonctionnel, si vous êtes étudiant ou que vous avez un niveau assez élevé en électronique, le schéma ci-dessous vous parle surement ! Le schéma fonctionnel d'un amplificateur opérationnel :

Pour ceux qui débutent en électronique, le schéma ci-dessus représente une modélisation fonctionnelle de notre composant qui est composé principalement de :

• Un mélangeur soustracteur de deux signaux : ce qui représente dans notre cas V₊ et V_-,
• et un amplificateur de signal électrique représenté par le carré avec la lettre A (A représente le facteur d'amplification du AOP)

Nous pouvons également appeler cette modélisation : la modélisation simplifiée d'un AOP.

Principales caractéristiques d'un AOP

Un amplificateur opérationnel se caractérise principalement par :

• Une faible impédance à sa sortie : l’impédance électrique est la mesure de l’opposition au passage du courant électrique, due à la résistance électrique combinée à la réactance.
• Un courant à la sortie un peu limité : Ce composant présente un gain important en tension électrique mais faible en intensité. Le courant fourni à la sortie de ce composant ne peut pas dépasser les quelques dizaines de milliampères ce qui le classifie parmi les composants actifs pour le traitement du signal électrique plutôt qu'à l'amplification de puissance. Ce qui représente pour nous un composant important très intéressant pour le traitement de l'information pour le domaine de la robotique et la domotique.
• La valeur V_out à la sortie du composant ne peut pas dépasser les valeurs V₊ et V_-

Les montages de base avec un AOP

Avec un AOP, il est possible de réaliser plusieurs montages électriques possibles en fonction du besoin de notre projet. Dans la suite de notre cours, nous allons présenter les plus connus, à citer :

Amplificateur non-inverseur

La tension de sortie \( V_{out} \) reste proportionnelle à la tension d’entrée \( V_{in} \) et elles sont en phase. Ce montage offre un gain \( A_{v} \) toujours supérieur ou égal à 1. Le schéma ci-dessus nous présente ce montage :

Pour un amplificateur non-inverseur, la tension de sortie \( V_{out} \) est donnée par la formule suivante :

\[ V_{out} = ( 1 + \frac{R_2}{R_1} ) \cdot V_{in} \]

La tension de sortie \( V_{out} \) suit toujours la tension d'entrée \( V_{in} \) et reste proportionnelle telle que :

• une multiplication par 2 si \( R_1 = R_2 \) soit donc \( A_{v} = 2 \)
• sinon par un facteur de gain \( A_{v} > 1 \) si \( R_2 \neq R_1 \)

Amplificateur inverseur

La sortie et l'entrée de ce circuit sont inversement proporitionnelles et offre un gain \( A_{v} \) qui est toujours supérieur ou égal à 1. Le schéma de ce montage se présente comme suit :

Pour ce montage, la tension de sortie \( V_{out} \) est donnée par :

\[ V_{out} = - \frac{R_2}{R_1} \cdot V_{in} \]

Nous remarquons que la tension de sortie \( V_{out} \) est l'inverse de la tension d'entrée \( V_{in} \), soit :

• une multiplication par un facteur de \( A_{v} = -1 \) puisque \( R_1 = R_2 \)
• sinon par un facteur de gain inversé d'une valeur de \( A_{v} = - \frac{R_2}{R_1} \)

Amplificateur suiveur

La sortie reproduit \( V_{out} \) exactement le signal reçu à l'entrée du montage \( V_{in} \). Le gain de ce système \( A_{v} \) est toujours égal à 1.

L'avantage de ce système est la faible impédance à sa sortie comparée à la valeur à son entrée, ce qui nous permet de piloter une charge par exemple, ou de créer un étage appelé tampon ou buffer pour isoler deux parties du même circuit électrique. Le schéma de ce montage se résume ci-dessus :

Pour ce montage, la tension de sortie \( V_{out} \) est donnée par :

\[ V_{out} = V_{in} \]

Ainsi, le gain de ce montage est \( A_{v} = 1 \)

Amplificateur additionneur

Un amplificateur additionneur est un montage classique basé sur un amplificateur opérationnel AOP qui permet de réaliser la somme de plusieurs signaux d’entrée, généralement des tensions. Le schéma de ce montage est comme suit :

Pour ce montage, la tension de sortie \( V_{out} \) est donnée par :

\[ V_{out} = \frac{R_3}{R_1} \cdot V_{in1} + \frac{R_3}{R_2} \cdot V_{in2} \]

Amplificateur soustracteur

Un amplificateur dit soustracteur est un montage basé sur un amplificateur opérationnel AOP qui permet de soustraire un signal éléctrique \( V_{in1} \) d'un deuxième signal électrique \( V_{in2} \). Le schéma de ce montage est comme suit :

Pour ce montage, la tension de sortie \( V_{out} \) est donnée par :

\[ V_{out}  = \left(1 + \frac{R_4}{R_3}\right) \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2} \, \cdot V_{in1} - \frac{R_4}{R_3} \, \cdot V_{in2} \]

Maintenant, si \( R_1 = R_3 \) et \( R_2 = R_4 \) ou tout simplement \( \frac{R_4}{R_3} = \frac{R_2}{R_1} \), l'équation \( V_{out} \) de la tension de sortie de ce montage devient plus simple telle que :

\[ V_{out}  = \frac{R_2}{R_1} \cdot (V_{in1} - V_{in2}) \]

Ce qui nous donne :

• deux signaux électriques traités avec le même gain ; celui de l'amplificateur opérationnel
• un signal à la sortie composé d'une vraie différence à partir des deux signaux reçus \( V_{in1} \)  et \( V_{in2} \)
• un montage qui rejette le signal électrique commun comme le bruit identique reçu sur les deux entrées.

Ainsi, le montage devient un soustracteur parfait, appelé aussi un amplificateur différentiel équilibré.