Modèles d'amplificateurs opérationnels
Alors que la mention d'amplificateurs opérationnels provoque généralement des visions de dispositifs semi-conducteurs construits comme des circuits intégrés sur une puce de silicium miniature, les premiers amplificateurs opérationnels étaient en fait des circuits à tube à vide. Le premier amplificateur opérationnel commercial à usage général a été fabriqué par George A. Philbrick Researches, Incorporated, en 1952. Désigné K2-W, il était construit autour de deux tubes à triode jumelle montés dans un assemblage avec un octal (8 broches) prise pour une installation et un entretien faciles dans les châssis d'équipements électroniques de cette époque. L'assemblage ressemblait à ceci :
Le schéma de principe montre les deux tubes, ainsi que dix résistances et deux condensateurs, une conception de circuit assez simple même selon les normes de 1952 :
Comment fonctionnent les tubes à vide ?
Au cas où vous n'êtes pas familier avec le fonctionnement des tubes à vide, ils fonctionnent de la même manière que les transistors IGFET à canal N à appauvrissement :c'est-à-dire qu'ils conduisent plus de courant lorsque la grille de contrôle (la ligne en pointillés) est rendue plus positive par rapport au cathode (la ligne courbée près du bas du symbole du tube) et conduire moins de courant lorsque la grille de contrôle est rendue moins positive (ou plus négative) que la cathode. Le tube triode jumeau sur la gauche fonctionne comme une paire différentielle , convertissant les entrées différentielles (signaux de tension d'entrée inverseurs et non inverseurs) en un seul signal de tension amplifié qui est ensuite transmis à la grille de commande de la triode gauche de la deuxième paire de triodes via un diviseur de tension (1 MΩ-2,2 MΩ). Cette triode amplifie et inverse la sortie de la paire différentielle pour un gain de tension plus important, puis le signal amplifié est couplé à la deuxième triode du même tube à double triode dans une configuration d'amplificateur non inverseur pour un gain de courant plus important. Les deux « tubes de préchauffage » au néon agissent comme des régulateurs de tension, similaires au comportement des diodes Zener à semi-conducteur, pour fournir une tension de polarisation dans le couplage entre les deux triodes d'amplificateur asymétriques.
Avec une tension d'alimentation double de +300/-300 volts, cet ampli-op ne pouvait basculer sa sortie que de +/- 50 volts, ce qui est très médiocre par rapport aux normes actuelles. Il avait un gain de tension en boucle ouverte de 15 000 à 20 000, une vitesse de balayage de +/- 12 volts/µseconde, un courant de sortie maximal de 1 mA, une consommation d'énergie au repos de plus de 3 watts (sans compter la puissance pour les filaments des tubes !), et coûte environ 24 $ en dollars de 1952. De meilleures performances auraient pu être obtenues en utilisant une conception de circuit plus sophistiquée, mais uniquement au détriment d'une plus grande consommation d'énergie, d'un coût plus élevé et d'une fiabilité moindre.
Impact des transistors à semi-conducteurs sur les amplificateurs opérationnels
Avec l'avènement des transistors à semi-conducteurs, les amplificateurs opérationnels avec une consommation d'énergie beaucoup moins au repos et une fiabilité accrue sont devenus possibles, mais de nombreux autres paramètres de performance sont restés à peu près les mêmes. Prenez par exemple le modèle P55A de Philbrick, un ampli-op à semi-conducteurs à usage général vers 1966. Le P55A présentait un gain en boucle ouverte de 40 000, une vitesse de balayage de 1,5 volt/µseconde et une oscillation de sortie de +/- 11 volts ( à une tension d'alimentation de +/- 15 volts), un courant de sortie maximum de 2,2 mA, et un coût de 49 $ (ou environ 21 $ pour la version « utilitaire »). Le P55A, ainsi que d'autres amplificateurs opérationnels de la gamme Philbrick de l'époque, était de construction à composants discrets, ses transistors, résistances et condensateurs constitutifs étant logés dans une "brique" solide ressemblant à un gros boîtier de circuit intégré.
Il n'est pas très difficile de construire un amplificateur opérationnel brut en utilisant des composants discrets. Un schéma d'un tel circuit est montré dans la figure ci-dessous.
Un amplificateur opérationnel simple fait de composants discrets.
Bien que ses performances soient plutôt lamentables par rapport aux normes modernes, cela démontre que la complexité n'est pas nécessaire pour créer un ampli-op minimalement fonctionnel. Transistors Q3 et Q4 forment le cœur d'un autre circuit différentiel à paires, l'équivalent semi-conducteur du premier tube triode du schéma K2-W. Comme c'était le cas dans le circuit du tube à vide, le but d'une paire différentielle est d'amplifier et de convertir une tension différentielle entre les deux bornes d'entrée en une tension de sortie asymétrique.
Impact de la technologie des circuits intégrés sur les conceptions d'amplificateurs opérationnels
Avec l'avènement de la technologie des circuits intégrés (CI), les conceptions d'amplificateurs opérationnels ont connu une augmentation spectaculaire des performances, de la fiabilité, de la densité et de l'économie. Entre les années 1964 et 1968, la société Fairchild a introduit trois modèles d'amplificateurs opérationnels IC :le 702, 709 et le toujours populaire 741. Bien que le 741 soit maintenant considéré comme obsolète en termes de performances, il reste un favori parmi les amateurs pour sa simplicité et sa tolérance aux pannes (protection contre les courts-circuits en sortie par exemple). L'expérience personnelle de l'abus de nombreux amplis-op 741 m'a amené à la conclusion qu'il s'agit d'une puce difficile à tuer. . .
Le schéma de principe interne d'un ampli-op modèle 741 est illustré à la figure ci-dessous.
Schéma schématique d'un ampli-op modèle 741.
Selon les normes des circuits intégrés, le 741 est un appareil très simple :un exemple d'intégration à petite échelle , ou SSI La technologie. Ce ne serait pas une mince affaire de construire ce circuit en utilisant des composants discrets, vous pouvez donc voir les avantages de la technologie de circuit intégré la plus primitive par rapport aux composants discrets impliquant un nombre élevé de pièces.
Comparaison des spécifications de performances de certains amplificateurs opérationnels
Pour l'amateur, l'étudiant ou l'ingénieur souhaitant de meilleures performances, il existe littéralement des centaines de modèles d'amplificateurs opérationnels parmi lesquels choisir. Beaucoup se vendent moins d'un dollar pièce, même au détail ! L'instrumentation à usage spécial et les amplificateurs opérationnels à radiofréquence (RF) peuvent être un peu plus chers. Dans cette section, je présenterai plusieurs amplis-op populaires et abordables, en comparant et en contrastant leurs spécifications de performances. Le vénérable 741 est inclus comme « référence » à des fins de comparaison, bien qu'il soit, comme je l'ai déjà dit, considéré comme un modèle obsolète.
Amplificateurs opérationnels largement utilisés
Le tableau ci-dessus ne contient que quelques-uns des modèles d'amplificateurs opérationnels à bas prix largement disponibles auprès des fournisseurs d'électronique. La plupart d'entre eux sont disponibles dans les magasins de fournitures de détail tels que Radio Shack. Tous coûtent moins de 1,00 $ directement du fabricant (prix de l'année 2001). Comme vous pouvez le voir, il existe une variation substantielle des performances entre certaines de ces unités. Prenons par exemple le paramètre du courant de polarisation d'entrée :le CA3130 remporte le prix du plus bas, à 0,05 nA (ou 50 pA), et le LM833 a le plus haut à un peu plus de 1 µA. Le modèle CA3130 atteint son courant de polarisation incroyablement bas grâce à l'utilisation de transistors MOSFET dans son étage d'entrée. Un fabricant annonce que l'impédance d'entrée du 3130 est de 1,5 téra-ohms, ou 1,5 x 10 12 ! D'autres amplificateurs opérationnels illustrés ici avec des valeurs de courant de polarisation faibles utilisent des transistors d'entrée JFET, tandis que les modèles à courant de polarisation élevé utilisent des transistors d'entrée bipolaires.
Alors que le 741 est spécifié dans de nombreux schémas de projets électroniques et présenté dans de nombreux manuels, ses performances ont longtemps été dépassées par d'autres conceptions dans tous les domaines. Même certaines conceptions basées à l'origine sur le 741 ont été améliorées au fil des ans pour dépasser de loin les spécifications de conception d'origine. Un tel exemple est le modèle 1458, deux amplificateurs opérationnels dans un boîtier DIP à 8 broches, qui à un moment donné avaient exactement les mêmes spécifications de performances que le seul 741. Dans sa dernière incarnation, il dispose d'une plage de tension d'alimentation plus large, un taux 50 fois plus élevé et presque deux fois la capacité de courant de sortie d'un 741, tout en conservant la fonction de protection contre les courts-circuits de sortie du 741. Amplificateurs opérationnels avec transistors d'entrée JFET et MOSFET loin dépassent les performances du 741 en termes de courant de polarisation et parviennent généralement à battre le 741 en termes de bande passante et de vitesse de balayage.
Mes propres recommandations personnelles pour les amplificateurs opérationnels sont les suivantes :lorsqu'un faible courant de polarisation est une priorité (comme dans les circuits intégrateurs à basse vitesse), choisissez le 3130. Pour les travaux d'amplificateur CC à usage général, le 1458 offre de bonnes performances (et vous obtenez deux amplis-op dans l'espace d'un seul paquet). Pour une amélioration des performances, choisissez le modèle 353, car il s'agit d'un remplacement compatible avec les broches du 1458. Le 353 est conçu avec un circuit d'entrée JFET pour un courant de polarisation très faible et a une bande passante 4 fois supérieure à celle du 1458, bien que sa limite de courant de sortie est inférieure (mais toujours protégée contre les courts-circuits). Il est peut-être plus difficile à trouver sur les étagères de votre fournisseur de matériel électronique local, mais son prix est tout aussi raisonnable que le 1458.
Si une faible tension d'alimentation est requise, je recommande le modèle 324, car il fonctionne sur aussi peu que 3 volts CC. Ses besoins en courant de polarisation d'entrée sont également faibles et il fournit quatre amplificateurs opérationnels dans une seule puce à 14 broches. Sa principale faiblesse est la vitesse, limitée à une bande passante de 1 MHz et un taux de balayage de sortie de seulement 0,25 volts par µs. Pour les circuits d'amplification CA haute fréquence, le 318 est un très bon modèle « à usage général ».
Échantillons d'amplificateurs opérationnels à bande passante élevée et à courant élevé
Des amplificateurs opérationnels à usage spécial sont disponibles pour un coût modeste et offrent de meilleures spécifications de performance. Beaucoup d'entre eux sont conçus pour un type spécifique d'avantage de performances, comme une bande passante maximale ou un courant de polarisation minimal. Prenez par exemple les amplificateurs opérationnels, tous deux conçus pour une bande passante élevée dans le tableau ci-dessous.
Amplificateurs opérationnels à large bande
Le CLC404 coûte 21,80 $ (presque autant que le premier ampli-op commercial de George Philbrick, mais sans correction pour l'inflation), tandis que le CLC425 est un peu moins cher à 3,23 $ l'unité. Dans les deux cas, une vitesse élevée est obtenue au détriment de courants de polarisation élevés et de plages de tension d'alimentation restrictives. Certains amplificateurs opérationnels, conçus pour une puissance de sortie élevée, sont répertoriés dans le tableau ci-dessous.
Amplificateurs opérationnels à courant élevé
Oui, le LM12CL a en fait un courant de sortie nominal de 13 ampères (13 000 milliampères) ! Il coûte 14,40 $, ce qui n'est pas beaucoup d'argent, compte tenu de la puissance brute de l'appareil. Le LM7171, en revanche, échange une capacité de sortie de courant élevée contre une capacité de sortie de tension rapide (une vitesse de balayage élevée). Il coûte 1,19 $, à peu près aussi bas que certains amplis-op « à usage général ».
Les packages d'amplificateurs peuvent également être achetés sous forme de circuits d'application complets par opposition aux amplificateurs opérationnels nus. Les sociétés Burr-Brown et Analog Devices, par exemple, toutes deux connues depuis longtemps pour leurs gammes de produits d'amplificateurs de précision, proposent des amplificateurs d'instrumentation dans des boîtiers préconçus ainsi que d'autres dispositifs d'amplification spécialisés. Dans les conceptions où une précision et une répétabilité élevées après réparation sont importantes, il peut être avantageux pour le concepteur de circuits de choisir un tel "bloc" d'amplificateur pré-conçu plutôt que de construire le circuit à partir d'amplificateurs opérationnels individuels. Bien sûr, ces unités coûtent généralement un peu plus cher que les amplificateurs opérationnels individuels.
FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :
- Fiche de travail sur les amplificateurs opérationnels de base
Technologie industrielle