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Un ampli-op (amplificateur opérationnel) est un composant électronique très utile pour traiter des signaux analogiques.

L'amplificateur opérationnel, comme son nom l'indique, permet d'amplifier un signal d'entrée vers sa sortie. Un ampli-op peut avoir un gain précis ou variable selon les composants montés autour de lui. Plusieurs montages, bien connus, basés sur l’utilisation d’opérateurs opérationnels permettent de créer des filtres ou de simples amplifications de signaux.

Il existe deux manières différentes d’alimenter un amplificateur opérationnel :
- Certains amplificateurs opérationnels comme le LMC660 vont être alimentés par une simple
alimentation positive.
- D’autres ampli-op vont nécessiter une double alimentation positive et négative.

Il est donc indispensable de bien consulter la fiche technique qui précise cette information. A noter que certains ampli-op peuvent même utiliser les deux modes d’alimentation.

Le comparateur

L'utilisation la plus simple d'un amplificateur opérationnel est de l'utiliser comme comparateur. Comme l’ampli-op dispose de deux entrées, on peut les utiliser pour les comparer entre elles afin d'ajuster le niveau de sa sortie. Comme pour chaque montage avec un ampli-op, une formule permet de déterminer la tension de sortie. Dans le cas d'un comparateur, la différence de tension observée entre les deux entrées sera multipliée par le gain de l'ampli-op. On appelle entrée non inverseuse l’entrée dénommée VIN(+) et entrée inverseuse celle notée VIN(–).

Il faut savoir que lorsqu'on utilise un ampli-op en mode comparateur, le gain est tellement élevé qu'on le considère comme infini. Ainsi, peu importe la différence de tension entre les deux entrées, la sortie va saturer soit positivement soit négativement.

Applications du comparateur :

Comme première application du comparateur, étudions la réalisation d’un simple détecteur de lumière. En créant un diviseur de tension sur l’entrée inverseuse de l'ampli-op, on crée une tension de référence de 2.5V (pour cela on utilise deux résistances de même valeur sur une alimentation 5V). De la même manière, pour disposer d’une tension variable sur la deuxième entrée non inverseuse, on peut réaliser un diviseur de tension avec une résistance fixe et une résistance variable (telle qu’une photo-résistance). Lorsque la tension variable sur l’entrée non inverseuse dépassera 2.5V, l’entrée non inverseuse va l’emporter sur celle de l’entrée inverseuse et la sortie sera portée au niveau de l'alimentation positive alors que si la tension variable est inférieure à 2.5V, l’entrée inverseuse va l’emporter et la sortie sera portée au niveau de l’alimentation négative dans le cas d’une alimentation double ou au niveau de la masse dans le cas d’une alimentation simple.

Dans le même ordre d’idées, on peut utiliser le comparateur comme détecteur de passage par zéro ou détecteur de passage par n'importe quel niveau de tension fixé par le jeu des résistances sur l’entrée inverseuse. Par exemple, comme sur le montage précédent, si on met une tension de référence de 2.5V sur l'entée négative, et une tension sinusoïdale sur l’entrée non inverseurse, la sortie va basculer lorsque l'entrée positive va passer au dessus et en dessous de cette référence pour donner un signal rectangulaire sur la sortie.

Une capture d'écran de la sortie de ce montage (en jaune, l'entrée positive et en bleu, la sortie) :

A noter que pour créer un montage de détection du passage par zéro, il faut utiliser une alimentation simple qui consiste à mettre l'entrée négative à 0 V (c'est-à-dire à la masse).

Un autre montage possible utilisant le comparateur est la réalisation d’un trigger de schmitt. Ce type de circuit présente deux seuils différents pour activer la sortie et cela permet de réduire le bruit d'un signal qui passe du niveau haut vers un niveau bas ou vice-versa.

Comme on le voit sur le schéma ci-dessus, en disposant de deux seuils de tension différents, on permet l'activation de la sortie lorsque l'entrée dépasse le seuil VTHL suivi de VTHH. À l'inverse, la sortie changera d'état uniquement lorsque la tension d'entrée passera de VTHH à VTHL. Ce principe porte le nom d’hystérésis. Pour faire changer le niveau de tension de la sortie il faudra que la tension d’entrée utilise alternativement l’un des deux chemins que crée l’hystérésis. Un chemin étant prévu pour passer du niveau bas au niveau haut, un autre pour passer du niveau haut au niveau bas.

Bien évidemment, il existe deux formules qui permettent de calculer chacun des seuils du trigger de schmitt.

Voilà un exemple de ce montage avec une tension VTHL de 800 mV et une tension VTHH de 3.28V. Ainsi, le signal d'entrée (en jaune) est comparé à ces deux seuils de tension et la sortie (en blue) est le résultat du fonctionnement singulier du trigger de schmitt.

 

Montage non-inverseur

Le montage non-inverseur fait partie des montages très connus en électronique analogique. Ce circuit permet d'amplifier un signal avec un certain gain prédéfini. Lors d’un montage électronique avec des amplificateurs opérationnels, la valeur des résistances est cruciale. C'est pour cette raison qu'il est préférable d'utiliser des résistances de 0.1% ou de 1% au maximum. Sinon, le résultat obtenu dans la réalité ne suivra pas les calculs théoriques que vous aurez faits. 

Le montage non-inverseur, comme son nom l’indique, permet d'amplifier un signal sans l'inverser. En effet, comme le signal entre par l'entrée non inverseuse (positive) de l'ampli-op, celui-ci n'inversera pas le signal. A titre d’illustration, si un signal d'entrée sinusoïdal de 2 Vpp entre dans un montage noninverseur avec un gain de 2, le signal de sortie aura la même configuration, mais avec une amplitude de 4 Vpp.

Évidemment, pour calculer le gain, on trouve également une formule. Comme l’indique cette formule, le gain d'un montage non-inverseur est toujours supérieur à 1.

Une autre caractéristique intéressante de ce montage est certainement son entrée à haute impédance. En effet, dans ce type de montage, comme le signal entre directement dans l'ampli-op, l'impédance d'entrée dépend directement des caractéristiques de cet ampli-op. Étant donné que l'impédance est souvent très élevée, cette caractéristique offre un avantage considérable puisqu'un signal de très faible puissance pourra être amplifié par ce montage sans pour autant en être affecté.

Montage inverseur

Le montage inverseur, très semblable au montage non-inverseur, permet d'amplifier un signal, mais celui-ci va inverser le signal d'entrée. En effet, comme le signal entre par l'entrée inverseuse (négative) de l'ampli-op, le signal de sortie est inversé par rapport au signal d'entrée.

Pour un montage inverseur, la formule permettant de trouver le gain est est celle indiquée ci-dessous. Contrairement au montage non-inverseur, ce montage permet d'obtenir d'obtenir un gain inférieur à 1 (il suffit de choisir R2 < R1). Par contre, il ne faut jamais oublier que le signal est inversé par rapport à l'entrée.

Contrairement au montage non-inverseur, le montage inverseur a une impédance d'entrée plus faible. En fait, l'impédance d'entrée est égale à la résistance R1. Ce faisant, tout dépendant de l'application de votre projet, il faut prendre en compte cette caractéristique.

Montage suiveur

Le montage suiveur est le montage le plus simple puisqu'il ne nécessite d’aucun composant en dehors de l'ampli-op. Grâce à son impédance d'entrée très importante et à sa faible impédance de sortie, il est destiné à permettre l'adaptation d'impédance entre l’entrée et la sortie d'un circuit. Dans cette configuration, le gain est de 1 et le signal de sortie est exactement le même que le signal d’entrée.

Masse virtuelle ou masse réelle ?

Imaginons que nous ayons un bloc d'alimentation de tension minimale 0 V et de tension maximale 10 V. La masse "réelle" correspond simplement au 0 V du bloc d'alimentation. La masse "virtuelle" quand à elle sera la tension que nous choisirons "arbitrairement" pour faire office de référence. Imaginons que nous choisissions de placer le "0 V virtuel" au 4 V de notre bloc d'alimentation (En quelque sorte on a relevé le "niveau" de tension, la "référence", de 4 V). Nous créons une nouvelle échelle de tension qui est comprise entre - 4 V et + 6V. Entre ces deux tensions nous conservons toujours un différentiel de 10 V et nous disposons maintenant d'un "Zéro virtuel" placé entre ces deux valeurs. Pour réaliser ce "zéro virtuel", élaborons un pont diviseur de tension composé par un couple de résistances de 15 k et 10 k placées en série . Plaçons aux extrémités le O V et le 10 V du bloc d'alimentation. Utilisons maintenant le point central du pont diviseur de tension  comme "0 V virtuel" que nous plaçons sur l'entrée non inverseuse de notre amplificateur opérationnel . L'amplificateur va donc considérer que ce point central est la "référence" de 0 V. Il sera à même de fournir sur sa sortie une tension minimale de - 4 V et une tension maximale de + 6 V.

Appliquons maintenant deux résistances en série de 10 k entre la sortie de l'amplificateur opérationnel et la borne d'entrée du signal. Relions par ailleurs le point central du pont diviseur sur la sortie inverseuse de l'amplificateur opérationnel. Le gain est alors G = - R2/R1 = - 10 k /10 k = - 1.

Supposons maintenant  que nous appliquions, sur l'entrée inverseuse, un signal sinusoïdal de 3 Vpp compris entre -1,5V et +1.5V, autrement dit possédant une masse "réelle" de 0 V.

Analysons ce signal appliqué sur l'entrée de notre montage :

Lorsque le signal présente une tension de - 1,5 V, celle-ci est inversée en sortie pour devenir + 1,5 V à laquelle vient s'ajouter la tension de 4 V  ayant servi à réaliser le "0 V virtuel". On mesurera donc à la sortie de l'amplificateur opérationnel +1,5 + 4 =  + 5,5 V. (Comme l'amplificateur peut délivrer jusque + 6 V, le signal d'entrée est parfaitement reproduit en sortie)

A l'inverse, lorsque le signal  atteint la tension de + 1,5 V, comme précédemment, le signal est inversé pour donner - 1,5V et la tension de 4 V ayant servi à réaliser le "0 V virtuel" vient s'ajouter pour donner  - 1,5 + 4 = 2,5 V.

En résumé, grâce au "0 V virtuel" qui a relevé de 4 V le niveau de "référence" créé sur l'entrée non inverseuse de notre amplificateur opérationnel, le signal sinusoïdal variant entre -1,5 V et 1,5 V et présent sur l'entrée inverseuse de notre amplificateur opérationnel, délivre un signal de sortie pouvant varier entre un minimum de 2,5 V et un maximum de 5,5 V autour du "Zéro virtuel" que constitue le 4 V.

Ainsi lorsqu'on veut utiliser un amplificateur opérationnel avec une alimentation uniquement positive pour traiter un signal d'entrée possédant une composante négative, il est nécessaire de créer un pont diviseur de tension sur son entrée positive en adaptant le "0 V virtuel" par un jeu de résistances convenablement choisies, ou en utilisant soit une diode Zener soit encore en utilisant tout autre composant apte à fournir une tension fixe.

Il faut encore faire attention à ne pas confondre la notion de "masse" virtuelle avec celle de "Décalage - Offset". Dans le premier cas on cherche simplement à déplacer la référence du 0 V du montage avec amplificateur opérationnel alors que dans le second cas on va ajouter une composante à courant continu sur un signal pour créer un "décalage" ou  "Offset" du signal étudié (le décalage se comprend par rapport à la masse réelle). Dans le premier cas on ne modifie pas le signal d'entrée, dans le second cas on ajoute une composante complémentaire au signal d'entrée.

Si le montage standard consiste à placer l'entrée positive d'un amplificateur opérationnel à la masse (0 V) nous voyons qu'il est toujours possible d'ajuster le niveau de cette entrée en créant ce que l'on appelle "une masse virtuelle" grâce à des composants convenablement choisis.

Schéma du montage électronique dans la vidéo Youtube : [Ampli-op] Masse virtuelle

 

Réponse en fréquence

Pour les ampli-op, la réponse en fréquence est un élément à prendre en compte lors de l'utilisation de ceux-ci. Comme les ampli-op sont des composants analogiques, la fréquence du signal traité va avoir une influence sur le signal de sortie. 

Dans les fiches techniques de l'ampli-op, on peut retrouver la largeur de bande (Bandwidth) en fréquence. Cette largeur de bande nous indique la fréquence maximale qu’il est possible d'atteindre avec un gain de 1. Cette valeur reste théorique puisque, en pratique, l'amplitude de sortie va diminuer avant la fréquence maximale indiquée. Il se peut aussi que l'onde de sortie soit déformée lorsque l'ampli-op est utilisé avec ces performances maximales. 

Dans un montage avec amplificateur opérationnel, si on augmente le gain en jouant sur les résistances, la fréquence maximale pouvant être atteinte est également réduite. Une formule simple nous permet de trouver cette fréquence maximale en fonction du gain.

Ainsi, avec une largeur de bande de 3 MHz et un gain de 100, la fréquence maximale pouvant être atteinte est de 30 KHz. Comme il est vu dans la vidéo numéro 4 sur les ampli-op, à partir de 20 KHz, l'amplitude de sortie diminue jusqu'à atteindre un gain deux fois plus petit à 60 KHz.