Comprendre l'impédance d'entrée d'un amplificateur opérationnel : Définition, importance et guide de calcul

Commençons par clarifier : Op-Amp signifie amplificateur opérationnel. C'est un amplificateur de tension électronique à fort gain (couplé DC). Il a une sortie simple et une résistance d'entrée distinctive. C'est le bloc de base fondamental des circuits analogiques. L'impédance montre la corrélation entre tension et courant d'entrée. Quand on parle d'impédance d'entrée d'un Op-Amp, il est crucial de distinguer le circuit complet de la puce de base.

Quelle est la différence ? Le premier concerne le circuit de l'amplificateur opérationnel lui-même, le second se concentre sur la circuitique interne de la puce.

Vous voulez en savoir plus ? Vous aurez une explication de pourquoi l'impédance de sortie d'un Op-Amp est faible, comment la calculer, et plus encore.

Quelle est l'impédance d'entrée typique d'un circuit intégré amplificateur opérationnel ?

On peut modifier l'impédance d'entrée différentielle en ajoutant de la circuitique autour de l'amplificateur. La façon d'appliquer la rétroaction et les composants externes affectent l'impédance d'entrée totale du circuit et la source de signal.

Il y a deux impédances d'entrée : mode commun (Z_cm+ et Z_cm-) et différentielle (Z_iff). La première est l'impédance depuis les étages d'entrée vers la masse. La seconde est l'impédance entre les deux entrées.

Ces impédances sont généralement élevées et résistives (10⁵ – 10¹² Ω). C'est un dispositif à entrée haute impédance. Elles ont aussi une capacitée de dérivation pouvant atteindre 20–25 pF.

Dans la plupart des circuits d'amplificateurs opérationnels, on peut réduire les impédances d'entrée inverseur et non-inverseur à une valeur faible grâce à la rétroaction négative — considérant que l'impédance différentielle et en mode commun est plus importante. Les bornes d'entrée inverseuse et non-inverseuse sont aussi cruciales.

L'impédance d'entrée du circuit amplificateur opérationnel est généralement élevée car les amplificateurs opérationnels fonctionnent comme un diviseur de tension. Plus l'impédance est élevée, plus la tension chute aux bornes des entrées de l'Op-Amp. Si l'impédance d'entrée est faible, il n'y a pas de chute de tension, donc pas de signal.

Impédance de sortie Op-Amp

L'impédance de sortie est similaire à l'impédance d'entrée, mais elle indique de combien la tension apparente de la source change quand elle doit fournir plus de courant. Par exemple, on voit l'impédance de source de courant à l'œuvre quand une batterie sans charge a une tension plus élevée qu'une batterie sous charge.

Exemple : votre Op-Amp a une sortie de 6 V, mesurée en circuit ouvert (courant 0 A, tension 6 V). Connectez une résistance de rétroaction pour obtenir 60 mA. Mesurez la tension aux bornes : ≈ 5,99 V.

Impédance de sortie :

Z_out = (6 V / 0 mA – 5,99 V / 60 mA) = 0,2 Ω

Pourquoi l'unité change ? Une faible impédance de source indique que l'Op-Amp peut absorber beaucoup de courant sans variation de tension significative. L'impédance d'entrée de l'Op-Amp ressemble à l'impédance de charge de ce qui reçoit le signal de sortie.

L'impédance de sortie et le potentiel de sortie ressemblent à l'impédance de source de ce qui reçoit le signal. Une charge à impédance modérément faible surcharge la source, exigeant un courant élevé et un gain plus grand.

Même avec une impédance de source faible, la source délivre du courant sans affaissement de tension. Pour réduire l'affaissement, assurez-vous que l'impédance de charge est bien supérieure à l'impédance de source. Une impédance de charge élevée signifie moins de courant et de puissance.

Impédance idéale d'un Op-Amp

Un Op-Amp idéal a une impédance d'entrée infinie et un gain infini. Le courant dans les bornes d'entrée est nul (aucun courant n'entre ni ne sort des bornes inverseuse et non-inverseuse), d'où un gain unitaire élevé.

L'Op-Amp idéal a aussi une impédance de sortie nulle : le courant de sortie est indépendant de la tension de sortie. L'Op-Amp idéal n'a pas besoin d'impédance de sortie pour piloter une charge et délivrer une tension aux bornes.

En résumé : impédance de sortie = 0 (ou très faible), impédance d'entrée = infinie (ou très élevée).

Comment calculer l'impédance d'entrée et de sortie ?

L'impédance montre la relation tension/courant, représentée par le ratio ΔI/ΔV. ΔI = variation de courant, ΔV = variation de tension.

On peut mesurer la différence de courant de polarisation d'entrée par rapport à la différence de tension de mode commun d'entrée.

Il faut des paramètres comme l'impédance de sortie, l'équation de gain en boucle ouverte, l'impédance de source. Avec le principe du diviseur de tension, on obtient les tensions d'entrée et de sortie :

(Z_in / (R_s + Z_in)) × V_in = V_source — (1)

Où : R_s = impédance de source, Z_in = impédance d'entrée, V_in = tension de référence de l'amplificateur, V_source = tension d'entrée.

Tension de charge de sortie :

V_out × (R_load / (R_load + Z_out)) = V_load — (2)

Où : R_load = résistance de charge, Z_out = impédance de sortie de l'amplificateur, V_load = tension aux bornes de la charge, V_out = sortie de l'amplificateur.

On peut substituer V_out par le gain times tension d'entrée.

Peut-on mesurer l'impédance de sortie ? Oui, comme circuit équivalent de Thévenin :

• V_o / I_s = Z_out — (3)
• I = courant de sortie en court-circuit
• V_o = tension de sortie en circuit ouvert

Cette formule vient de la relation linéaire entre courant et tension de sortie.

Pourquoi l'impédance d'entrée d'un Op-Amp est-elle infinie (idéale) ?

L'impédance montre l'opposition d'un circuit au passage du courant (continu ou alternatif). Dans un Op-Amp idéal, les deux bornes d'entrée ont une impédance infinie car aucun courant n'y pénètre.

Cela permet à l'entrée de « voir » et répondre à la tension, sans y injecter de courant. L'Op-Amp n'affecte pas la tension d'entrée. En pratique, on observe une minuscule fuite de courant (généralement < quelques milliampères).

Pourquoi l'impédance de sortie d'un Op-Amp est-elle faible ?

L'impédance de sortie est faible car la tension délivrée reste constante même si la charge connectée augmente la demande.

En pratique, les Op-Amps ont quelques ohms d'impédance de sortie. La tension réelle aux bornes de sortie variera donc selon la charge connectée.

Conclusion

Il est typique qu'un Op-Amp ait une impédance d'entrée élevée. C'est un dispositif à gain de tension. Une haute impédance permet la chute de tension aux entrées, maintient un faible courant d'appel et évite l'effet de charge.

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