Analogie du Levier : Clarifier la Rétroaction Divisée dans les Amplificateurs

Pour démystifier les circuits amplificateurs à rétroaction divisée, on peut se référer à un système mécanique familier : le levier. Les extrémités mobiles du levier représentent les tensions d'entrée et de sortie, tandis que le pivot — qu'il s'agisse d'une masse physique ou virtuelle — agit comme référence de rétroaction.

Considérons l'ampli op non-inversant classique montré ci-dessous. Comme discuté précédemment, son gain en tension ne peut jamais descendre en dessous de l'unité. En associant un diagramme de levier au schéma — où les longueurs des bras du levier correspondent aux valeurs des résistances — nous pouvons visualiser comment les variations de tension se traduisent en déplacement mécanique.

Les physiciens classent cet arrangement comme un levier de troisième classe, car l'effort (entrée) et la charge (sortie) se trouvent du même côté du fulcrum. Les leviers de troisième classe présentent un déplacement de sortie au moins aussi grand que l'entrée, correspondant au gain ≥1 de l'amplificateur non-inversant.

Pousser le point d'entrée vers le haut sur le levier est analogue à l'application d'une tension d'entrée positive. La géométrie du levier amplifie le mouvement : le point de sortie se déplace deux fois plus loin et dans la même direction. Dans le circuit, la tension de sortie vaut le double de l'entrée, en conservant la polarité.

En raison des caractéristiques d'amplification de déplacement du levier, le point « sortie » se déplacera deux fois plus loin que le point « entrée », et dans la même direction. Dans le circuit électronique, la tension de sortie sera égale au double de l'entrée, avec la même polarité. L'application d'une tension d'entrée négative est analogue au déplacement du levier vers le bas depuis sa position « zéro » de niveau, résultant en un déplacement de sortie amplifié qui est également négatif :

Changer le rapport de résistances R₂/R₁ repositionne le point d'entrée par rapport au fulcrum, ajustant ainsi le gain mécanique. Par exemple, augmenter R₂ par rapport à R₁ déplace le levier de sorte que le déplacement de sortie devienne quatre fois l'entrée.

Désormais, tout signal d'entrée sera amplifié par un facteur de quatre au lieu de deux :

Les configurations inversantes peuvent également être mappées sur l'analogie du levier, mais avec une classe mécanique différente. Ici, le point de masse du diviseur de rétroaction est l'entrée inversante de l'ampli op, plaçant l'entrée d'un côté du fulcrum et la sortie de l'autre — un levier de première classe.

Lorsque les deux résistances sont égales — reflétant des longueurs de levier égales de chaque côté — le déplacement de sortie est égal en magnitude à l'entrée mais inverse en direction. Ainsi, une entrée positive produit une sortie négative.

Ajuster R₂/R₁ déplace à nouveau le fulcrum du levier, modulant le gain. Si R₂ est deux fois R₁, la géométrie du levier donne un gain de –2. Inversement, échanger les valeurs des résistances déplace le fulcrum au tiers depuis l'extrémité de sortie, donnant un gain de –½.