Maîtriser l'hystérésis des amplificateurs opérationnels : Guide professionnel complet

De nombreux concepts fondamentaux du monde technique sont difficiles à appréhender car leurs significations peuvent être trompeuses. Malheureusement, l'hystérésis en fait partie.

Vous avez peut-être cherché le concept pour abandonner ou trouver quelque chose de si compliqué et long que vous vouliez abandonner. Mais pas d'inquiétude, nous avons la solution !

Heureusement, nous avons écrit cet article pour décomposer le concept d'hystérésis des amplificateurs opérationnels en un guide simple mais complet.

Prêt ? C'est parti !

Qu'est-ce que l'hystérésis dans un amplificateur opérationnel ?

Le sujet de l'hystérésis des amplificateurs opérationnels prendra du sens une fois que nous définirons le mot hystérésis. Simplement, l'hystérésis signifie « retarder », « suivre derrière » ou « résister au changement depuis un état antérieur ». En ingénierie, l'hystérésis décrit des opérations non symétriques, ou en termes plus simples : le chemin de A vers B est différent de B vers A.

On trouve l'hystérésis dans le magnétisme, la déformation non plastique, et bien sûr les circuits électroniques comme les amplificateurs opérationnels (qui fonctionnent comme comparateurs).

Pour aller plus loin, regardons un exemple simple pour cerner l'hystérésis dans les amplificateurs opérationnels.

Quand vous connectez un relais 12 V à une alimentation variable et augmentez lentement la tension d'entrée de 0 à 12 V, vous remarquerez qu'autour de 11 V, le relais s'active.

Normalement, si vous réduisez cette tension, cela devrait désactiver le relais. Mais ce n'est pas le cas. Le relais ne se désactivera que lorsque la tension descendra bien en dessous de 9 V.

La différence entre les seuils d'activation et de désactivation du relais est ce qu'on appelle un décalage de tension, et ce décalage est l'hystérésis.

Maintenant, l'hystérésis peut avoir des effets néfastes sur les circuits électroniques comme les circuits à transistor unique (BJT), et empêche de maintenir des seuils fixes. La plupart du temps, le niveau d'hystérésis est réduit au minimum possible pour garder le contrôle sur les valeurs de seuil du circuit.

En revanche, les circuits à amplificateurs opérationnels évitent efficacement les effets d'hystérésis pour certaines opérations. Pour la plupart des circuits chargeurs de batterie à amplificateur opérationnel, l'absence d'hystérésis devient un inconvénient majeur.

Dans ce cas, vous forceriez une hystérésis additionnelle dans le circuit en installant une résistance de rétroaction entre la sortie de l'amplificateur opérationnel et l'une de ses broches d'entrée.

Cela inclurait l'effet d'hystérésis dans votre circuit amplificateur opérationnel.

D'un autre côté, la plupart des comparateurs ont une hystérésis intégrée, généralement entre 5 mV et 10 mV. L'hystérésis interne de ces comparateurs analogiques les aide à prévenir les oscillations dues à de faibles rétroactions parasites.

Cependant, tout bruit externe d'amplitude plus grande peut bloquer l'hystérésis interne, même si elle suffit à arrêter les auto-oscillations. Dans ce cas, ajouter une hystérésis externe résout le problème.

Principe de fonctionnement

Bien que l'hystérésis ne soit pas souhaitée dans certains circuits, elle reste précieuse pour les circuits analogiques car elle aide à contrôler la commutation dans les circuits à transistors. Vous pouvez utiliser l'hystérésis dans un circuit comparateur pour définir le cycle de travail de la forme d'onde de sortie.

Note : Les amplificateurs opérationnels et les comparateurs sont deux composants essentiels et égaux dans ces circuits. Plus important, un amplificateur opérationnel peut fonctionner comme comparateur, mais tous les comparateurs ne peuvent pas fonctionner comme amplificateurs.

Pour cette raison, les deux termes peuvent s'utiliser de manière interchangeable puisque l'hystérésis est importante pour les deux circuits. Comprendre comment ces circuits fonctionnent aide grandement à comprendre l'hystérésis dans les circuits avancés.

Comparer deux circuits intégrés standards avec l'amplificateur opérationnel et le comparateur facilite la compréhension de l'hystérésis dans certains de ces circuits et comment l'utiliser pour modifier le comportement de commutation.

La première impression du diagramme ci-dessus est la similitude des deux composants. Cependant, il y a des différences, comme le comparateur étant un émetteur commun à la masse alors que l'amplificateur opérationnel ne l'est pas. Pour cette raison, la sortie du comparateur fonctionne bien pour la saturation. D'un autre côté, la sortie de l'amplificateur opérationnel fonctionne mieux pour les opérations linéaires.

Hystérésis dans un comparateur

L'hystérésis dans un circuit comparateur simple est responsable de la production d'un comportement de commutation stable. Quand vous ajoutez une résistance de rétroaction positive, elle crée une hystérésis dans le circuit, définissant le seuil de commutation quand le signal d'entrée augmente ou diminue.

Voici la partie délicate.

Le bruit parasite sur le signal d'entrée peut affecter tout le processus, produisant de multiples transitions quand le signal d'entrée augmente. Ajouter de l'hystérésis au circuit comparateur contre toute commutation erronée causée par le bruit.

Hystérésis dans un amplificateur opérationnel

L'hystérésis dans un amplificateur opérationnel est similaire à la façon dont la rétroaction positive crée une tension d'hystérésis dans un comparateur (pas des tensions négatives). Cela permet à l'amplificateur opérationnel de former un circuit déclencheur de Schmitt.

Voici où ça devient intéressant.

Quand vous pilotez un amplificateur opérationnel comme circuit en boucle fermée vers la saturation (avec hystérésis), la sortie saturer et donne les mêmes résultats qu'un comparateur. Cela fonctionne pour entrée inverseuse et non-inverseuse.

Comparateur sans hystérésis

Source : Pxhere

Voici un circuit comparateur standard sans hystérésis. Le diviseur de tension Rx et Ry crée la tension de seuil minimale utilisée par le circuit. Le comparateur évalue et compare la plage de tension d'entrée (Vin) à la tension de seuil fixe (Vth) pour trouver la relation de tension.

Connecter la tension d'entrée (à comparer) à l'entrée inverseuse du circuit crée une sortie à polarité inversée.

Ainsi, quand la différence de tension du courant de polarisation d'entrée est plus grande que le seuil, la sortie se rapproche de l'alimentation négative. De même, la sortie du comparateur se rapproche des rails d'alimentation positive si le point est plus haut que la tension de référence d'entrée.

Bien que cette technique ait ses avantages, comme décider si un signal est au-dessus d'un seuil, elle a un problème. Le bruit sur le signal d'entrée peut créer de multiples transitions au-dessus et au-dessous du point fixe, déclenchant des résultats fluctuants.

On voit les multiples transitions dans le diagramme. Imaginez le signal d'entrée comme un paramètre de température, et la sortie comme une application de température critique. La sortie incohérente ne donnera pas les résultats désirés.

Ou imaginez que vous avez besoin de la sortie d'un comparateur pour piloter un moteur ou une vanne. Le signal fluctuant actionnerait la vanne marche/arrêt plusieurs fois en situation de seuil critique.

Heureusement, l'hystérésis résout ce problème en contrant complètement le signal instable lors du changement de seuils et en donnant une immunité au bruit.

Comparateur avec hystérésis

Voici un diagramme du circuit comparateur avec hystérésis. La résistance RH se concentre sur le niveau de seuil de l'hystérésis. Quand la tension de sortie devient logique HAUTE (5 V), RH se met en parallèle avec Rx. Cela permet un courant continu supplémentaire dans Ry et augmente la limite de seuil (VH) à 2,7 V. La réponse de sortie ne passera pas à logique BASSE si le courant d'entrée n'est pas plus haut que la tension de seuil (2,7 V).

Cependant, quand la sortie est à logique BASSE, RH devient parallèle à Ry. Cela réduit le courant dans Ry et abaisse la tension de seuil à 2,3 V. Pour revenir à logique HAUTE (5 V), le signal d'entrée doit être inférieur à 2,3 V.

Conception du comparateur à hystérésis

Pour décomposer la conception, regardons les schémas, composants et design.

Schémas

Regardez le diagramme ci-dessous :

Composants électroniques requis

• (1) Circuit imprimé (PCB)
• Comparateur (ici, vous pouvez utiliser n'importe quel comparateur. Par exemple, nous avons utilisé un TLV3201 pour applications faible puissance. Ce comparateur a un courant de repos faible)
• Résistances métal standard (0,1 %)

Exigences de conception

• Tension d'alimentation +5 V
• Entrée 0 V à 5 V

Design du comparateur à hystérésis

Pour les designs, nous pouvons utiliser les équations (1) et (2) pour sélectionner les valeurs de résistance créant vos tensions de seuil d'hystérésis (VH et VL). Vous devrez choisir un RX à valeur unique.

Nous avons déterminé que RX aurait une valeur de 100 kΩ. Nous avons choisi cette valeur pour que RX minimise la consommation de courant. D'un autre côté, nous avons implémenté RH avec une valeur de 576 kΩ. Ainsi, nous avons confirmé les équations (1) et (2) en annexe A : Rh/Rx = VL/VH – VL.

Mots finaux

Les comparateurs sont utiles pour différencier deux niveaux de signal. Par exemple, vous pouvez utiliser un comparateur pour distinguer conditions normales et surchauffe.

La variation de bruit ou de signal au seuil de comparaison résulte en multiples transitions. L'avantage de l'hystérésis dans un circuit comparateur est qu'il fixe un point bas et un point haut pour résoudre le problème des nombreuses transitions.

Voilà qui clôture cet article ; si vous avez des questions, n'hésitez pas à nous contacter.