Commentaires négatifs

Si nous connectons la sortie d'un ampli-op à son entrée inverseuse et appliquons un signal de tension à l'entrée non-inverseuse, nous constatons que la tension de sortie de l'ampli-op suit de près cette tension d'entrée (j'ai négligé de tirer la puissance alimentation, fils +V/-V et symbole de masse pour plus de simplicité) :

Comme V_in augmente, V_out augmentera en fonction du gain différentiel. Cependant, comme V_out augmente, cette tension de sortie est renvoyée à l'entrée inverseuse, agissant ainsi pour diminuer le différentiel de tension entre les entrées, ce qui agit pour réduire la sortie. Ce qui se passera pour toute entrée de tension donnée, c'est que l'ampli-op produira une tension presque égale à V_in , mais juste assez bas pour qu'il reste une différence de tension suffisante entre V_in et l'entrée (-) à amplifier pour générer la tension de sortie.

Le circuit atteindra rapidement un point de stabilité (appelé équilibre en physique), où la tension de sortie est juste la bonne quantité pour maintenir la bonne quantité de différentiel. Prendre la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel et la coupler à l'entrée inverseuse est une technique connue sous le nom de rétroaction négative , et c'est la clé pour avoir un système auto-stabilisant (cela est vrai non seulement pour les amplis-op, mais pour tout système dynamique en général). Cette stabilité donne à l'ampli-op la capacité de fonctionner dans son mode linéaire (actif), au lieu d'être simplement saturé complètement « activé » ou « désactivé » comme c'était le cas lorsqu'il était utilisé comme comparateur, sans aucun retour.

Parce que le gain de l'ampli-op est si élevé, la tension sur l'entrée inverseuse peut être maintenue presque égale à V_in . On peut écrire une équation reliant la tension de sortie à la tension d'entrée et le gain, G :

$$V_{out} =G · (V_{in} - V_{out})$$

Ensuite, en résolvant la tension de sortie, nous obtenons ce qui suit :

$$V_{out} =\frac{V_{in}}{1 + (\frac{1}{G})}$$

Disons que notre ampli-op a un gain de tension différentiel de 200 000 et V_in est égal à 6 V, nous pouvons calculer la tension de sortie en utilisant notre équation :

$$V_{out} =\frac{6}{1 + (\frac{1}{20 000})} =5.999700015 V$$

Cela crée juste assez de tension différentielle (6 V - 5,99997000015 V =29,99985 µV) pour que 5,99997000015 volts se manifestent à la borne de sortie, et le système y maintient l'équilibre. Comme vous pouvez le voir, 29,99985 µV n'est pas beaucoup de différentiel, donc pour des calculs pratiques, nous pouvons supposer que la tension différentielle entre les deux fils d'entrée est maintenue par une rétroaction négative exactement à 0 volt.

Avantage de la rétroaction négative dans les amplificateurs opérationnels

Un grand avantage de l'utilisation d'un ampli-op avec une rétroaction négative est que le gain de tension réel de l'ampli-op n'a pas d'importance, tant qu'il est très important. Si le gain différentiel de l'amplificateur opérationnel était de 250 000 au lieu de 200 000, cela signifierait simplement que la tension de sortie serait un peu plus proche de V_in (moins de tension différentielle nécessaire entre les entrées pour générer la sortie requise). Dans le circuit qui vient d'être illustré, la tension de sortie serait toujours (à toutes fins pratiques) égale à la tension d'entrée non inverseuse. Par conséquent, les gains des amplis-op n'ont pas besoin d'être réglés avec précision par l'usine pour que le concepteur du circuit puisse construire un circuit amplificateur avec un gain précis. La rétroaction négative rend le système autocorrecteur. Le circuit ci-dessus dans son ensemble suivra simplement la tension d'entrée avec un gain stable de 1.

Comment fonctionne le circuit de l'ampli-op ?

Pour en revenir à notre modèle d'amplificateur différentiel, nous pouvons considérer l'amplificateur opérationnel comme une source de tension variable contrôlée par un détecteur nul extrêmement sensible , le type de mouvement de compteur ou autre dispositif de mesure sensible utilisé dans les circuits en pont pour détecter une condition d'équilibre (zéro volt). Le « potentiomètre » à l'intérieur de l'ampli-op créant la tension variable se déplacera dans n'importe quelle position pour « équilibrer » les tensions d'entrée inverseuses et non inverseuses de sorte que le « détecteur nul » ait une tension nulle à travers :

Comme le "potentiomètre" se déplacera pour fournir une tension de sortie nécessaire pour satisfaire le "détecteur nul" à une "indication" de zéro volt, la tension de sortie devient égale à la tension d'entrée :dans ce cas, 6 volts. Si la tension d'entrée change du tout, le « potentiomètre » à l'intérieur de l'ampli-op changera de position pour maintenir le « détecteur nul » en équilibre (indiquant zéro volt), ce qui entraînera une tension de sortie approximativement égale à la tension d'entrée à tout moment.

Cela restera vrai dans la plage de tensions que l'amplificateur opérationnel peut produire. Avec une alimentation de +15V/-15V, et un amplificateur idéal qui peut faire varier sa tension de sortie tout aussi loin, il «suivra» fidèlement la tension d'entrée entre les limites de +15 volts et -15 volts. Pour cette raison, le circuit ci-dessus est connu sous le nom de suiveur de tension . Comme son homologue à un transistor, l'amplificateur à collecteur commun (« émetteur-suiveur »), il a un gain de tension de 1, une impédance d'entrée élevée, une impédance de sortie faible et un gain de courant élevé. Les suiveurs de tension sont également appelés tampons de tension , et sont utilisés pour augmenter la capacité de source de courant de signaux de tension trop faibles (impédance de source trop élevée) pour piloter directement une charge. Le modèle d'ampli-op montré dans la dernière illustration montre comment la tension de sortie est essentiellement isolée de la tension d'entrée, de sorte que le courant sur la broche de sortie n'est pas du tout fourni par la source de tension d'entrée, mais plutôt par l'alimentation alimentant l'op -amp.

Il convient de mentionner que de nombreux amplificateurs opérationnels ne peuvent pas faire varier leurs tensions de sortie exactement aux tensions de rail d'alimentation +V/-V. Le modèle 741 fait partie de ceux qui ne le peuvent pas :lorsqu'il est saturé, sa tension de sortie culmine à environ un volt de la tension d'alimentation +V et à environ 2 volts de la tension d'alimentation -V. Par conséquent, avec une alimentation séparée de +15/-15 volts, la sortie d'un ampli-op 741 peut aller jusqu'à +14 volts ou jusqu'à -13 volts (environ), mais pas plus loin. Cela est dû à sa conception de transistor bipolaire. Ces deux limites de tension sont appelées tension de saturation positive et tension de saturation négative , respectivement. D'autres amplificateurs opérationnels, tels que le modèle 3130 avec des transistors à effet de champ dans l'étage de sortie final, ont la capacité de faire varier leurs tensions de sortie en millivolts de l'un ou l'autre rail de l'alimentation. Tension. Par conséquent, leurs tensions de saturation positive et négative sont pratiquement égales aux tensions d'alimentation.

AVIS :

• La connexion de la sortie d'un ampli-op à son entrée inverseuse (-) est appelée rétroaction négative . Ce terme peut être largement appliqué à n'importe quel système dynamique où le signal de sortie est « renvoyé » à l'entrée d'une manière ou d'une autre afin d'atteindre un point d'équilibre (équilibre).
• Lorsque la sortie d'un ampli-op est directement connecté à son entrée inverseuse (-), un suiveur de tension sera créé. Quelle que soit la tension du signal imprimée sur l'entrée non inverseuse (+), elle sera visible sur la sortie.
• Un ampli-op avec rétroaction négative essaiera d'amener sa tension de sortie au niveau nécessaire pour que la tension différentielle entre les deux entrées soit pratiquement nulle. Plus le gain différentiel de l'amplificateur opérationnel est élevé, plus la tension différentielle sera proche de zéro.
• Certains amplificateurs opérationnels ne peuvent pas produire une tension de sortie égale à leur tension d'alimentation lorsqu'ils sont saturés. Le modèle 741 en fait partie. Les limites supérieure et inférieure de l'oscillation de la tension de sortie d'un amplificateur opérationnel sont appelées tension de saturation positive et tension de saturation négative , respectivement.

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Feuille de travail sur les circuits d'amplificateur opérationnel à rétroaction négative