L'amplificateur « opérationnel »

Bien avant l'avènement de la technologie électronique numérique, les ordinateurs ont été construits pour effectuer électroniquement des calculs en utilisant des tensions et des courants pour représenter des quantités numériques. Cela a été particulièrement utile pour la simulation de processus physiques. Une tension variable, par exemple, peut représenter la vitesse ou la force dans un système physique. Grâce à l'utilisation de diviseurs de tension résistifs et d'amplificateurs de tension, les opérations mathématiques de division et de multiplication pourraient être facilement effectuées sur ces signaux.

Calculer la fonction dérivée comme base pour calculer le courant du condensateur

Les propriétés réactives des condensateurs et des inductances se prêtent bien à la simulation de variables liées par des fonctions de calcul. Rappelez-vous comment le courant traversant un condensateur était fonction du taux de variation de la tension et comment ce taux de variation a été désigné dans le calcul comme la dérivé ? Eh bien, si la tension aux bornes d'un condensateur devait représenter la vitesse d'un objet, le courant à travers le condensateur représenterait la force nécessaire pour accélérer ou décélérer cet objet, la capacité du condensateur représentant la masse de l'objet :

Ce calcul électronique analogique de la fonction dérivée du calcul est techniquement connu sous le nom de différenciation , et c'est une fonction naturelle du courant d'un condensateur par rapport à la tension appliquée à ses bornes. Notez que ce circuit ne nécessite aucune « programmation » pour exécuter cette fonction mathématique relativement avancée comme le ferait un ordinateur numérique.

Les circuits électroniques sont très faciles et peu coûteux à créer par rapport aux systèmes physiques complexes, de sorte que ce type de simulation électronique analogique a été largement utilisé dans la recherche et le développement de systèmes mécaniques. Pour une simulation réaliste, cependant, des circuits amplificateurs de haute précision et faciles à configurer étaient nécessaires dans ces premiers ordinateurs.

Avantage de l'amplificateur différentiel par rapport à l'amplificateur asymétrique

Il a été découvert au cours de la conception d'ordinateurs analogiques que les amplificateurs différentiels avec des gains de tension extrêmement élevés répondaient mieux à ces exigences de précision et de configurabilité que les amplificateurs asymétriques avec des gains personnalisés. En utilisant des composants simples connectés aux entrées et à la sortie de l'amplificateur différentiel à gain élevé, pratiquement n'importe quel gain et n'importe quelle fonction pourraient être obtenus à partir du circuit, dans l'ensemble, sans ajuster ni modifier les circuits internes de l'amplificateur lui-même. Ces amplificateurs différentiels à gain élevé sont connus sous le nom d'amplificateurs opérationnels , ou amplificateurs opérationnels, en raison de leur application dans les opérations mathématiques des ordinateurs analogiques.

Quelques fonctionnalités des amplificateurs opérationnels

Les amplificateurs opérationnels modernes, comme le modèle populaire 741, sont des circuits intégrés hautes performances et peu coûteux. Leurs impédances d'entrée sont assez élevées, les entrées consommant des courants de l'ordre d'un demi-microampère (maximum) pour le 741, et bien moins pour les amplificateurs opérationnels utilisant des transistors d'entrée à effet de champ. L'impédance de sortie est généralement assez faible, environ 75 Ω pour le modèle 741, et de nombreux modèles ont une protection intégrée contre les courts-circuits de sortie, ce qui signifie que leurs sorties peuvent être directement court-circuitées à la terre sans endommager les circuits internes. Avec un couplage direct entre les étages de transistors internes des amplificateurs opérationnels, ils peuvent amplifier les signaux CC aussi bien que CA (jusqu'à certaines limites maximales de temps de montée en tension). Cela coûterait beaucoup plus cher en argent et en temps pour concevoir un circuit amplificateur à transistors discrets comparable pour correspondre à ce type de performances, à moins qu'une capacité de puissance élevée ne soit requise. Pour ces raisons, les amplificateurs opérationnels ont presque tous des amplificateurs de signaux à transistors discrets obsolètes dans de nombreuses applications.

Le schéma suivant montre les connexions des broches pour les amplificateurs opérationnels simples (741 inclus) lorsqu'ils sont logés dans un DIP à 8 broches (D ual je en ligne P ackage) circuit intégré :

Certains modèles d'amplificateurs opérationnels sont livrés par deux, y compris les modèles populaires TL082 et 1458. Ceux-ci sont appelés unités « doubles » et sont généralement également logés dans un boîtier DIP à 8 broches, avec les connexions à broches suivantes :

Les amplificateurs opérationnels sont également disponibles quatre par boîtier, généralement dans des configurations DIP à 14 broches. Malheureusement, les affectations de broches ne sont pas aussi standard pour ces amplificateurs opérationnels « quad » que pour les unités « doubles » ou simples. Consultez la ou les fiches techniques du fabricant pour plus de détails.

Les gains de tension de l'amplificateur opérationnel pratique sont de l'ordre de 200 000 ou plus, ce qui les rend presque inutiles en tant qu'amplificateur différentiel analogique par eux-mêmes. Pour un ampli-op avec un gain de tension (A_V ) de 200 000 et une oscillation de tension de sortie maximale de +15V/-15V, il suffirait d'une tension d'entrée différentielle de 75 µV (microvolts) pour le conduire à saturation ou coupure ! Avant d'examiner comment les composants externes sont utilisés pour réduire le gain à un niveau raisonnable, examinons les applications de l'ampli-op « nu » en lui-même.

Comparateur

Une application s'appelle le comparateur . À toutes fins utiles, nous pouvons dire que la sortie d'un ampli-op sera saturée complètement positive si l'entrée (+) est plus positive que l'entrée (-) et saturée complètement négative si l'entrée (+) est moins positive que l'entrée (-). En d'autres termes, le gain de tension extrêmement élevé d'un amplificateur opérationnel le rend utile en tant qu'appareil pour comparer deux tensions et modifier les états de tension de sortie lorsqu'une entrée dépasse l'autre en amplitude.

Dans le circuit ci-dessus, nous avons un ampli-op connecté en tant que comparateur, comparant la tension d'entrée avec une tension de référence définie par le potentiomètre (R₁ ). Si V_in tombe en dessous de la tension définie par R₁ , la sortie de l'ampli-op saturera à +V, allumant ainsi la LED. Sinon, si V_in est au-dessus de la tension de référence, la LED restera éteinte. Si Vin est un signal de tension produit par un instrument de mesure, ce circuit comparateur pourrait fonctionner comme une alarme « basse », avec le point de déclenchement défini par R₁ . Au lieu d'une LED, la sortie de l'ampli-op pourrait piloter un relais, un transistor, un SCR ou tout autre dispositif capable de commuter l'alimentation vers une charge telle qu'une électrovanne, pour agir en cas d'alarme basse.

Convertisseur d'ondes carrées

Une autre application pour le circuit comparateur illustré est un convertisseur à onde carrée. Supposons que la tension d'entrée appliquée à l'entrée inverseuse (-) soit une onde sinusoïdale alternative plutôt qu'une tension continue stable. Dans ce cas, la tension de sortie passerait entre des états de saturation opposés chaque fois que la tension d'entrée était égale à la tension de référence produite par le potentiomètre. Le résultat serait une onde carrée :

Les réglages du potentiomètre modifieraient la tension de référence appliquée à l'entrée non inverseuse (+), qui changerait les points auxquels l'onde sinusoïdale se croiserait, changeant les temps d'activation/désactivation, ou le cycle de service de l'onde carrée :

Il devrait être évident que la tension d'entrée CA ne devrait pas être une onde sinusoïdale en particulier pour que ce circuit remplisse la même fonction. La tension d'entrée peut être une onde triangulaire, une onde en dents de scie ou tout autre type d'onde qui passe progressivement du positif au négatif puis au positif. Ce type de circuit comparateur est très utile pour créer des ondes carrées de rapport cyclique variable. Cette technique est parfois appelée modulation de largeur d'impulsion , ou PWM (variant, ou modulant une forme d'onde selon un signal de contrôle, en l'occurrence le signal produit par le potentiomètre).

Pilote graphique à barres

Une autre application de comparaison est celle du pilote de bargraph. Si nous avions plusieurs amplificateurs opérationnels connectés en tant que comparateurs, chacun avec sa propre tension de référence connectée à l'entrée inverseuse, mais chacun surveillant le même signal de tension sur leurs entrées non inverseuses, nous pourrions construire un compteur de style graphique à barres comme ce qui est couramment vu sur le visage des tuners stéréo et des égaliseurs graphiques. Au fur et à mesure que la tension du signal (représentant la force du signal radio ou le niveau du son audio) augmentait, chaque comparateur "s'allumerait" en séquence et enverrait l'alimentation à sa LED respective. Avec chaque comparateur s'activant à un niveau de son audio différent, le nombre de LED allumées indiquerait la force du signal.

Dans le circuit illustré ci-dessus, la LED1 serait la première à s'allumer lorsque la tension d'entrée augmentait dans un sens positif. Alors que la tension d'entrée continuait d'augmenter, les autres LED s'allumaient successivement, jusqu'à ce qu'elles soient toutes allumées.

Cette même technologie est utilisée dans certains convertisseurs de signaux analogiques-numériques, à savoir le convertisseur flash , pour traduire une quantité de signal analogique en une série de tensions marche/arrêt représentant un nombre numérique.

AVIS :

• Une forme triangulaire est le symbole générique d'un circuit amplificateur, l'extrémité large signifiant l'entrée et l'extrémité étroite signifiant la sortie.
• Sauf indication contraire, tous les tensions dans les circuits amplificateurs sont référencées à une masse commune point, généralement connecté à une borne de l'alimentation. De cette façon, nous pouvons parler d'une certaine quantité de tension étant « sur » un seul fil, tout en sachant que la tension est toujours mesurée entre deux points.
• Un amplificateur différentiel est celui qui amplifie la différence de tension entre deux entrées de signaux. Dans un tel circuit, une entrée a tendance à amener la tension de sortie à la même polarité que le signal d'entrée, tandis que l'autre entrée fait exactement le contraire. Par conséquent, la première entrée est appelée la non inverseuse (+) entrée et la seconde s'appelle l'inversion (-) entrée.
• Un amplificateur opérationnel (ou ampli-op en abrégé) est un amplificateur différentiel avec un gain de tension extrêmement élevé (A_V =200 000 ou plus). Son nom vient de son utilisation originale dans les circuits informatiques analogiques (effectuer des opérations mathématiques).
• Les amplificateurs opérationnels ont généralement des impédances d'entrée très élevées et des impédances de sortie assez faibles.
• Parfois, les amplis-op sont utilisés comme comparateurs de signaux , fonctionnant en mode coupure totale ou saturation selon l'entrée (inversante ou non inverseuse) qui a la tension la plus élevée. Les comparateurs sont utiles pour détecter des conditions de signal « supérieures à » (en les comparant les uns aux autres).
• Une application de comparaison s'appelle le modulateur de largeur d'impulsion , et est réalisé en comparant un signal alternatif sinusoïdal à une tension de référence continue. Au fur et à mesure que la tension de référence CC est ajustée, la sortie d'onde carrée du comparateur change son cycle de service (temps positif contre temps négatif). Ainsi, la tension continue de référence contrôle, ou module la largeur d'impulsion de la tension de sortie.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur les amplificateurs opérationnels de base