Des Tubes à Vide aux Circuits Intégrés : L'Évolution des Modèles d'Amplificateurs Opérationnels

Quand la plupart des gens pensent aux amplificateurs opérationnels, ils imaginent des CI à base de silicium. Cependant, les premiers amplis op commerciaux étaient des circuits à tubes à vide.

En 1952, George A. Philbrick Researches, Inc. a introduit le K2-W, le premier ampli op polyvalent. Il comportait deux tubes triodes jumeaux logés dans une base octale (8 broches), le rendant facile à installer et à entretenir dans les châssis de l'époque.

Le schéma montre l'assemblage triode jumelé aux côtés de dix résistances et deux condensateurs — un design remarquablement simple pour son temps.

Fonctionnement des Tubes à Vide

Les tubes à vide se comportent comme des IGFETs de type N à déplétion : la grille de contrôle conduit plus de courant quand elle est plus positive par rapport à la cathode, et moins quand elle est moins positive. Dans le K2-W, la triode jumelée de gauche forme un couple différentiel qui convertit les entrées inversante et non-inversante en un signal unique amplifié. Un diviseur de tension 1 MΩ – 2,2 MΩ alimente ce signal à la triode de gauche du second tube, qui fournit un gain de tension additionnel et inverse la sortie. La seconde triode pilote alors un étage non-inversant pour le gain en courant. Des tubes néon agissent comme régulateurs de tension, similaires aux diodes Zener, fournissant une tension de biais entre les deux amplificateurs simple-entrée.

Avec une alimentation double de +300 / –300 V, le K2-W ne pouvait osciller sa sortie que ±50 V. Il offrait un gain en boucle ouverte de 15 000 – 20 000, un slew rate de ±12 V/µs, un courant de sortie maximal de 1 mA, et une consommation de puissance au repos dépassant 3 W (sans compter la puissance des filaments). En dollars de 1952, il coûtait environ 24 $.

Transistors à Semi-conducteurs et la Génération Suivante

La technologie des transistors a permis des amplis op consommant bien moins de puissance au repos et bien plus fiables, tout en maintenant des performances comparables. Le P55A de Philbrick en 1966, par exemple, présentait un gain en boucle ouverte de 40 000, un slew rate de 1,5 V/µs, et une oscillation de sortie de ±11 V depuis une alimentation ±15 V. Son courant de sortie maximal était de 2,2 mA, et il se vendait 49 $ (environ 21 $ pour le grade utilitaire). Le P55A était un design à composants discrets logé dans une « brique » solide ressemblant à un gros boîtier CI.

Il est possible de construire un ampli op de base à partir de pièces discrètes, comme illustré par le schéma ci-dessous. Le couple différentiel formé par les transistors Q3 et Q4 sert le même rôle que la triode jumelée dans le K2-W, convertissant les entrées différentielles en une sortie simple-entrée.

Un amplificateur opérationnel simple construit à partir de composants discrets.

Révolution des Circuits Intégrés

L'introduction des CI au milieu des années 1960 a transformé la conception des amplis op. Fairchild a lancé les 702, 709, et l'iconique 741 entre 1964 et 1968. Bien que le 741 soit considéré comme obsolète par les normes d'aujourd'hui, il reste populaire parmi les amateurs pour sa robustesse et sa protection contre les courts-circuits.

Schéma interne d'un ampli op 741.

Avec la technologie SSI, le 741 ne contient qu'une poignée de composants, le rendant impraticable à reproduire avec des pièces discrètes. Cela illustre les avantages clairs même des premiers CI sur les assemblages à composants discrets volumineux.

Comparaison de Performance d'Amplis Op Populaires

Ci-dessous une sélection d'amplis op peu coûteux illustrant la gamme de caractéristiques de performance disponibles aujourd'hui. Le 741 est inclus comme référence, bien que les designs plus récents surpassent largement ses spécifications.

Amplificateurs opérationnels largement utilisés

Modèle	Dispositifs / Boîtier	Alimentation (V)	Bande passante (MHz)	Courant de polarisation (nA)	Slew Rate (V/µS)	Courant sortie (mA)
TL082	2	12 / 36	4	8	13	17
LM301A	1	10 / 36	1	250	0,5	25
LM318	1	10 / 40	15	500	70	20
LM324	4	3 / 32	1	45	0,25	20
LF353	2	12 / 36	4	8	13	20
LF356	1	10 / 36	5	8	12	25
LF411	1	10 / 36	4	20	15	25
741C	1	10 / 36	1	500	0,5	25
LM833	2	10 / 36	15	1050	7	40
LM1458	2	6 / 36	1	800	10	45
CA3130	1	5 / 16	15	0,05	10	20

Comme le montre le tableau, le courant de polarisation varie dramatiquement : le CA3130, un design à base de MOSFET, délivre un étonnant 0,05 nA (50 pA) de courant de polarisation, tandis que le LM833, qui utilise des transistors bipolaires, peut en tirer plus de 1 µA. L'impédance d'entrée du CA3130 est annoncée à 1,5 TΩ (1,5 × 10¹² Ω).

Bien que le 741 soit un incontournable des manuels, ses performances ont été éclipsées par les dispositifs modernes. Par exemple, le LM1458 partage le boîtier du 741 mais offre une plage d'alimentation plus large, un slew rate 50 fois plus élevé, et presque le double du courant de sortie, tout en conservant la protection contre les courts-circuits.

Voici mes recommandations :

• Circuits à faible courant de polarisation (ex: intégrateurs basse vitesse) : CA3130.
• Amplification CC polyvalente : LM1458 (deux amplis op dans un DIP 8 broches).
• Bande passante plus élevée : LF353 (entrée JFET, quatre fois la bande passante du LM1458).
• Fonctionnement basse tension : LM324 (fonctionne dès 3 V, offre quatre amplis op en boîtier 14 broches).
• Amplification CA haute fréquence : LM318.

Amplis Op Haute Bande Passante et Haut Courant

Les amplis op à usage spécial délivrent des performances exceptionnelles à coût modique. Les tableaux suivants mettent en avant des modèles optimisés pour la bande passante ou le courant de sortie.

Amplificateurs opérationnels haute bande passante

Modèle	Dispositifs / Boîtier	Alimentation (V)	Bande passante (MHz)	Courant de polarisation (nA)	Slew Rate (V/µS)	Courant sortie (mA)
CLC404	1	10 / 14	232	44 000	2600	70
CLC425	1	5 / 14	1900	40 000	350	90

Le CLC404 coûte 21,80 $, comparable au prix du K2-W original en dollars de 1952. Le CLC425 est plus abordable à 3,23 $ l'unité. Les deux atteignent une haute vitesse au prix de courants de polarisation plus élevés et de plages d'alimentation plus serrées.

Amplificateurs opérationnels haut courant

Modèle	Dispositifs / Boîtier	Alimentation (V)	Bande passante (MHz)	Courant de polarisation (nA)	Slew Rate (V/µS)	Courant sortie (mA)
LM12CL	1	15 / 80	0,7	1000	9	13 000
LM7171	1	5,5 / 36	200	12 000	4100	100

Le LM12CL peut délivrer l'incroyable courant de sortie de 13 A pour un prix de 14,40 $. En contraste, le LM7171 offre un slew rate élevé (4 kV/µs) pour seulement 1,19 $.

Pour les conceptions exigeant une précision ou une répétabilité extrêmes, des fabricants comme Burr-Brown et Analog Devices fournissent des amplificateurs d'instrumentation pré-conçus et d'autres dispositifs spécialisés. Bien que ces blocs soient plus chers que les amplis op nus, ils simplifient la conception de circuits et améliorent souvent la fiabilité.

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail : Amplificateurs Opérationnels de Base