ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)
Les amplificateurs opérationnels : généralités
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Brochage et plage de fonctionnement
L'ampli opérationnel (AO) est constitué d'un dizaine de transistors, ils nécessitent une alimentation pour fonctionner.

Il y a 2 broches d'alimentation (ex pin 4 & 11) : V+ & V- (ou Vcc & GND).
Il y a 2 broches d'entrées (ex pin 3 & 2) : Vin+ & Vin- (ou simplement + & -).
Il y a 1 broche de sortie (ex pin 1) : Vout (ou Output).

Les circuits intégrés peuvent contenir 1 AO (ex LM308); 2 AO (ex LM358) ou 4 AO (LM324).

Les tensions appliquées aux entrées doivent être comprisent entre les deux tensions d'alimentation avec généralement une perte de 1 ou 2 Volts.
La tension que peut générer la sortie est comprise entre les deux tensions d'alimentation avec généralement une perte de 1 ou 2 Volts.
Certain AO comme le LM324 sont conçus pour ne pas avoir de pertes vis-à-vis de l'alimentation V- : les entrées et la sortie peuvent descendre jusqu'au rail - de l'alimentation.



Alimentation simple

Alimentation de l'AO avec une seule alimentation (Vcc => V+) et (GND => V-).
Prévoir le 100nF de déparasitage C1.

Exemple avec une alimentation de 12V :
Pour le LM308 : les entrées et la sortie peuvent balayer une plage de tension allant de +1V à +11V
Pour le LM324 : les entrées et la sortie peuvent balayer une plage de tension allant de 0V à +10.5V


 Alimentation symétrique

Alimentation de l'AO avec deux alimentations (borne + de BT1 => V+) , (borne - de BT2 => V-) et (point milieu des deux BT => GND).
Prévoir deux 100nF de déparasitage C1 & C2.

Exemple avec deux alimentations de 4.5V :
Pour le LM308 : les entrées et la sortie peuvent balayer une plage de tension allant de -3.5V à +3.5V
Pour le LM324 : les entrées et la sortie peuvent balayer une plage de tension allant de -4.5V à +3.0V
Ce type d'alimentation permet donc de travailler avec des signaux alternatifs.

Dans la pratique (surtout avec des piles ou batteries), on essaye de se passer de la seconde alimentation. On crée l'alimentation négative (BT2) au départ de la positive (BT1) via un inverseur soit à capacités commutées (Imax de l'ordre de 10mA), soit à découpage (Imax plus important).

Inverseur à capacités commutées

Les portes NAND fonctionnent en inverseur car les 2 entrées sont connectées ensemble.
U2A est montée en oscillateur (trigger de Schmitt) : C3 se charge et décharge en A et un signal carré (0V / Vcc) est généré en B.
Les condensateurs C5, C6, C7 sont montés en // pour augmenter le courant de sortie (environ 10mA au total), leur fonctionnement est donc similaire.
Lorsque Vcc est appliqué en C (première alternance du signal carré), C6 se charge via D1 et D descend à 0V.
Lorsque 0V est appliqué en C (seconde alternance du signal carré), D1 est bloquante et D descend à -Vcc (car C6 est chargée à Vcc), C6 se décharge via D2 et E descend à -Vcc.
C8 est donc chargée négativement par rapport au GND.

-Vaa = -Vcc + 2 seuils de BAT85     (germanium seuil de 0.3V)


Inverseur à découpage

On applique un courant haché (PWM) sur la bobine L1, ce qui génère des sous-tensions aux bornes de la bobine à chaque coupure du courant.
Cette sous-tension est récupérée par D1 et filtrée par C2.
Remarquons la polarité de C2, sa borne + est reliée au GND vu que sa borne - est chargée négativement.
L'inverseur nécessite un régulateur et une protection contre les surcourants : missions du LM3578.
La tension de sortie -Vaa s'ajuste avec R1.
Le courant maximum de sortie s'ajuste avec R3 (adapter L1 et Q en conséquence).


 Alimentation à masse virtuelle

Une dernière technique pour se passer d'une seconde alimentation est la création d'une référence à mi-tension de l'alimentation.

Première étape :
Si A est à 0V (borne - de l'alimentation), ABC forme un diviseur par 2, et on retrouve en B la moitié de la tension d'alimentation de BT1 (ex avec pile de 9V : A=0V ; B=4V5 ; C=9V).
U1A est monté en suiveur de tension, la tension en B' est égale à celle en B (ex : B=B'=4V5).
R3 sert à limiter les surcourants (Imax = +/-20mA) et C4 filtre les pointes de courants.

Seconde étape :
Raisonnement inverse en mettant B' au GND.
Alors  B = 0V ;  A = - 4V5  et  C = + 4V5


Caractéristiques
Les 3 caractéristiques principales des ampli-op sont :
1) Entrée HiZ : courants d'entrées négligeables (de l'ordre de 50nA, voire moins).
2) Grand gain (de l'ordre de 1.000.000) : Vin+ = Vin- (à quelques µV près, + offset DC de 2mV).
3) Sortie LoZ : permet de délivrer du courant sur une charge (typiquement de - 20mA à +40mA, voire plus si ampli-op de puissance) indépendamment de la tension de sortie générée.


Résolution de circuits à ampli-op
Vérifier si contre-réaction : rebouclage de la sortie sur l'entrée Vin- (sinon voir comparateur à hystérésis)
Écrire l'équation de Vin+ en fonction des signaux d'entrées.
Écrire l'équation de Vin- en fonction des signaux d'entrées et de Vout.
Résoudre le système à deux équations en faisant Vin+ = Vin- (grand gain) pour exprimer Vout en fonction des signaux d'entrées.


Auteur : Philippot Marc - 19/11/2019