Op-Amp – Amplificateur opérationnel : Fonctionnement et applications
Aujourd’hui on va voir en détail l’Op-Amp, ou amplificateur opérationnel, un composant fondamental en électronique analogique. Il s’agit d’un amplificateur différentiel à gain très élevé, utilisé dans de nombreuses applications telles que le filtrage, la sommation, ou encore la conversion signal analogique.
Principe de base de l’amplificateur opérationnel
L’amplificateur opérationnel est un circuit intégré qui amplifie la différence de tension entre ses deux entrées : l’entrée inverseuse (-) et l’entrée non-inverseuse (+). Son gain en boucle ouverte est extrêmement élevé, souvent supérieur à 100 000, ce qui permet d’obtenir des amplifications très précises lorsqu’il est utilisé en boucle fermée.
Caractéristiques essentielles d’un Op-Amp
- Gain en boucle ouverte : Très élevé, généralement > 10⁵.
- Impédance d’entrée : Très haute, de l’ordre de plusieurs mégohms.
- Impédance de sortie : Très faible, facilitant la charge des étages suivants.
- Bande passante : Variable selon le modèle, liée au produit gain-bande passante.
- Tension d’offset : Petite tension résiduelle à l’entrée qui peut affecter la précision.
Fonctionnement en mode linéaire
En mode linéaire, l’Op-Amp est monté en boucle fermée avec un réseau de rétroaction qui contrôle son gain effectif. Cette configuration permet d’obtenir un gain précis et stable, contrairement au gain énorme et instable en boucle ouverte. L’équation fondamentale est :
V_out = A_OL × (V_+ – V_-), où A_OL est le gain en boucle ouverte.
La rétroaction négative ramène la sortie à une valeur qui équilibre les tensions aux entrées, stabilisant ainsi le gain.
Exemples de configurations classiques
- Amplificateur inverseur : L’entrée est appliquée sur l’entrée inverseuse via une résistance, la non-inverseuse est reliée à la masse. Le gain est donné par -R_f / R_in.
- Amplificateur non-inverseur : L’entrée est appliquée sur l’entrée non-inverseuse, l’inverseuse est reliée à la sortie via un réseau de résistances. Le gain est 1 + R_f / R_in.
- Suiveur de tension : Gain unité, la sortie est reliée directement à l’entrée inverseuse, utile pour adapter l’impédance.
Applications courantes
- Filtrage actif (passe-bas, passe-haut, passe-bande)
- Amplification de signaux faibles
- Sommation et différenciation de signaux
- Oscillateurs et générateurs de forme d’onde
- Convertisseurs analogique-numérique et inverse
Tableau récapitulatif des montages de base
| Montage | Configuration | Formule du gain | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| Inverseur | Entrée sur – via R_in, rétroaction via R_f | −R_f / R_in | Amplification avec inversion de phase |
| Non-inverseur | Entrée sur +, rétroaction sur − via R_f et R_in | 1 + R_f / R_in | Amplification sans inversion |
| Suiveur | Sortie reliée à −, entrée sur + | 1 | Adaptation d’impédance |
Il est important de maîtriser les principes d’utilisation de l’Op-Amp pour concevoir des circuits fiables et performants, notamment en tenant compte des limitations réelles comme le décalage de tension, la vitesse de balayage ou le bruit intrinsèque.
Demain, nous approfondirons la notion de filtre actif, qui utilise souvent des amplificateurs opérationnels pour façonner les réponses en fréquence des signaux.
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