Amplificateurs opérationnels (suite)

Les montages de l'AOP en amplificateur

L'AOP est sans conteste l'un des éléments les plus importants de l'électronique moderne. On le retrouve un peu partout, et pas seulement dans le domaine "audio". On ne s'étonnera donc pas du très grand nombre de modèles disponibles et de la variété des montages possibles. L'AOP est en effet très versatile!

Pour commencer, nous allons passer en revue quelques montages "de base" lorsque l'AOP fonctionne en amplificateur linéaire.

Le montage amplificateur inverseur

C'est le montage de base à amplificateur opérationnel...

Le signal d'entrée (celui qu'on désire amplifier) est relié à l'entrée inverseuse e- par une résistance R1, et la sortie est reliée à cette même entrée e- par une résistance R2. Quant à l'entrée non inverseuse e+, elle est reliée à la masse. Le signal en sortie est déphasée de 180° ("inversé") par rapport au signal d'entrée.

Le gain en tension du montage inverseur est donné par la formule ci-contre. Il est négatif, et sa valeur ne dépend que des deux résistances R1 et R2. Le gain négatif se traduit en sortie par un déphasage à 180° (ou inversion) du signal d'entrée, ce que démontre le graphe ci-dessous:

La trace verte représente le signal en entrée; la trace rouge correspond au signal obtenu en sortie de l'AOP. Ce signal est à la fois amplifié (ici: x 5, soit le rapport de R2 à R1) et inversé.

On voit bien les limites de ce montage: pour obtenir un fort gain en tension, il faut augmenter R2 et diminuer R1. Ce faisant, on diminue l'impédance d'entrée, qui doit rester aussi grande que possible. D'autre part, on ne peut augmenter R2 au delà de quelques MW. Le gain obtenu, en pratique, ne dépassera guère quelques centaines, une valeur déjà très honorable.

Le montage amplificateur non inverseur

C'est le deuxième amplificateur de base.

Le gain est toujours supérieur à 1; il peut être ajusté finement à l'aide d'un potentiomètre. La sortie est en phase avec l'entrée (voir le graphe ci-dessous). L'impédance d'entrée est très élevée et l'impédance de sortie quasi nulle. On a donc ici un ampli qui présente des caractéristiques idéales! Seul le comportement en fréquence pourra poser problème.

La trace rouge représente le signal en entrée; la trace verte correspond au signal obtenu en sortie de l'AOP. Ce signal est amplifié mais il n'est pas inversé.

Le montage suiveur ou "tampon à gain unitaire"

C'est une extrapolation du montage précédent, avec R1 de valeur infinie et R2 égal à zéro (ce qui revient à supprimer R1 et R2).

Le montage suiveur procure un gain unitaire, autrement dit, pas d'amplification. Sa fonction est l'adaptation d'impédance. On le placera donc en tampon entre deux portions d'un circuit, de façon à les isoler l'une de l'autre pour prévenir toute interaction parasite.

La sortie de l'AOP est reliée à son entrée e-. On voit qu'il n'y a ni amplification ni inversion du signal de sortie (trace verte) par rapport au signal d'entrée (trace rouge).

Ce circuit est utilisé en amont et en aval d'un montage pour bénéficier d'une impédance d'entrée très grande, et en sortie d'une impédance de sortie très basse.

Le montage additionneur (ou sommateur) inverseur

On aborde ici le premier montage "opérationnel", c'est-à-dire capable de réaliser une opération arithmétique sur un ou plusieurs signaux d'entrée. Il s'agit en l'occurence de l'addition.

L'amplificateur sommateur permet, notamment, de mélanger plusieurs signaux en entrée de l'AOP. On notera la similitude avec le montage inverseur vu précédemment. On peut ajuster le gain globalement en jouant sur R2, et le gain de chaque entrée séparément en jouant sur les résistances R1, R3 ou R4 (au détriment, il est vrai, de l'impédance d'entrée de la voie concernée). Quant à l'impédance de sortie, elle est voisine de 0. Le graphe ci-dessous montre le résultat obtenu avec des signaux d'entrée d'amplitude et de fréquences différentes:

Les traces verte, rouge et bleue correspondent aux trois signaux (d'amplitude et de fréquence différentes) appliqués sur l'entrée e- de l'AOP. La trace jaune est celle du signal obtenu en sortie.

Le montage soustracteur

Ce montage permet d'amplifier la différence de deux signaux. C'est un montage très important dans le domaine de la mesure. On pose en général comme condition: R1 = R3 et R2 = R4. On a alors en sortie la différence des deux signaux d'entrée (V2 - V1) multipliée par le gain, qui vaut R4/R3 ou R2/R1.

Sur le graphe ci-dessus, V2 vaut 0,75 V et V1 vaut 0,5 V. La différence est donc de 0,25 V. Ces deux signaux (traces bleue et rouge respectivement) ont la même fréquence, soit 500 Hz. La trace verte est le signal obtenu en sortie de l'amplificateur: sa fréquence est identique et son amplitude vaut (V2-V1)(R2/R1), en l'occurence 0,25 x 5, soit 1,25 V.

Sur le graphe ci-dessous, seule la fréquence de V1 change: elle a doublé à 1 kHz. On observera l'influence de cette variation sur le signal de sortie (trace verte).

Autres montages opérationnels

Il existe bien d'autres montages opérationnels, plus sophistiqués, qui sortent du cadre d'une simple initiation: si vous êtes curieux, cliquez ici...

Les montages de l'AOP en commutateur

Voici maintenant des montages dans lesquels les deux entrées sont forcées à des valeurs différentes. L'AOP ne fonctionne plus ici en mode linéaire, mais en commutation. Conséquence: on aura en sortie soit un état haut ("presque Vcc", ou plus exactement Vsat+), soit un état bas ("presque 0 V", ou Vsat-).

Le montage comparateur de tensions

C'est sans doute l'une des utilisations les plus "populaires" de l'AOP et il existe de nombreuses et astucieuses variantes de ce montage.

L'idée est la suivante: on fixe une tension de référence (donc connue précisément) sur une entrée de l'AOP et on compare le signal (dont on ne connait pas, a priori, la tension), présenté sur l'autre entrée, à cette référence. De deux choses l'une: la tension du signal est supérieure ou inférieure à la tension de référence. Selon la configuration du montage, on aura en sortie de l'AOP un état haut ou un état bas.

Si le signal est présenté sur l'entrée e+ (la référence étant fixé sur e-), on dit que le comparateur est non inverseur. Si le signal est présenté sur l'entrée e- (la référence étant fixé sur e+), on dit que le comparateur est inverseur. En supposant une référence fixée à 5 V, on aura en sortie d'un comparateur non inverseur un état haut quand le signal sera supérieur à 5 V et un état bas lorsque le signal sera inférieur à 5 V. Pour un comparateur inverseur, on inverse!

Schéma de principe du montage comparateur de tension. On a retenu ici un montage non inverseur: le signal à comparer Vin est présenté sur l'entrée e+ et la tension de référence est fixée sur l'entrée e-. L'alimentation est symétrique ou non. Si Vin > Uref, la sortie sera à l'état haut. Si au contraire Vin < Uref, la sortie sera à l'état bas. Ce montage est souvent associé à des systèmes de contrôle ou de détection (franchissement d'un seuil, d'une valeur de consigne...).

On voit sur ce chronographe l'évolution de la tension de sortie (trace rouge) de l'AOP en fonction de la variation du signal d'entrée (trace jaune). Le signal d'entrée est en l'occurence sinusoïdal, mais il pourrait être de forme quelconque. Tant que la valeur de la tension de ce signal reste supérieure à la valeur de la tension de référence Uref (trace verte), la sortie est haute. Dès que la tension du signal d'entrée passe au-dessous de la valeur de Uref, la sortie bascule immédiatement (ou presque...) à l'état bas.

Si on dispose de deux AOP, on peut réaliser un comparateur double, ou à deux étages:

Schéma d'un comparateur à deux étages, non inverseur. Le montage est construit autour d'un LM324, un quadruple AOP qui se prête à merveille à ce type de montage et qui peut sans problème être alimenté sous tension non symétrique. On visualise ci-dessous la sortie de chaque AOP, lorsque la tension Ue varie de 0 à 9 volts:

L'AOP "B" (trace jaune) bascule à l'état haut lorsque Ue (trace bleue) dépasse 3 V; l'AOP "A" (trace verte, au-dessus) bascule lorsque Ue dépasse 6 V.

Le schéma précédent a été modifié de manière à le transformer en comparateur inverseur. On visualise ci-dessous la sortie de chaque AOP, lorsque la tension Ue varie de 0 à 9 volts et on observe que le franchissement des seuils par Ue entraîne un basculement des sorties à 0 V:

L'AOP "B" (trace jaune) bascule à l'état bas lorsque Ue (trace verte) dépasse 3 V; l'AOP "A" (trace bleue, au-dessus) bascule lorsque Ue dépasse 6 V.

Voici une application pratique du double comparateur construit autour d'un LM324: on a rajouté deux DEL de visualisation:

La tension d'entrée Ue, qui est variable, est comparée à deux tensions de référence, fixée à 1/3 et 2/3 de Vcc respectivement, soit 3 V et 6 V. Si Ue<1/3 Vcc, les DEL sont éteintes. Si Ue>I/3 de Vcc, la DEL verte s'allume, la rouge reste éteinte. Si Ue>2/3 Vcc, les deux DEL sont allumées.

Le montage en comparateur à fenêtre est une variante très souvent exploitée dans les circuits de détection, notamment. On détermine une "fenêtre" (window, en anglais), avec un seuil mini et un seuil maxi: le signal en entrée sera donc "dans" la fenêtre ou "en dehors".

On a choisi de donner la même valeur à R1, R2 et R3, de manière à former un pont diviseur par tiers. On détermine ainsi les seuils "mini" et "maxi" de la fenêtre. Les sorties des AOP sont reliées entre elles: on a donc en définitive une seule sortie. En prenant Vcc = 9 V, la sortie sera haute à la double condition que Ue > 3 V et Ue < 6 V.

La tension d'entrée Ue est représentée par la trace jaune: elle varie de 0 à 9 V. Les seuils de la fenêtre sont matérialisés par la trace rouge (seuil "mini") et la trace bleue (seuil "maxi"). Tant que Ue reste à l'intérieur de la fenêtre, la sortie de l'AOP (trace verte) est haute. Si elle est en dehors de la fenêtre, la sortie de l'AOP est basse (quasiment à 0 V avec un LM324).

On imagine aisément les multiples variantes possibles, comme par exemple une fenêtre "ajustable", qui pourrait être redimensionnée, au besoin, à l'aide d'un potentiomètre ou automatiquement par une LDR ou une thermistance...

Autres montages en commutateur

L'AOP se prête à bien d'autres montages (trigger, multivibrateur...), mais d'une part l'étude de ces montages sortirait du cadre de notre propos et, d'autres part, des circuits plus adaptés feraient mieux l'affaire...

L'AOP et la fonction de filtrage

L'AOP permet aussi de réaliser ce qu'on appelle des filtres actifs, destinés à amplifier certaines fréquences et à en atténuer d'autres.

Voici le principe de fonctionnement d'un filtre de ce type, en l'occurence un passe-bas:

Le gain de cet AOP est fonction du rapport entre la résistance d'entrée R1 et la résistance de contre-réaction R2. On observe toutefois que le condensateur C est placé en parallèle avec R2. L'impédance de C est très grande aux basses fréquences, donc la présence de C ne modifie que très peu le gain. Plus la fréquence augmente, plus l'impédance de C diminue, d'où un gain de moins en moins élevé. En définitive, on amplifie les basses fréquences, et pas les hautes, ce qui est bien l'effet recherché avec un filtre passe-bas.

On observe qu'à une fréquence un peu supérieure à 100 Hz, l'amplification du signal diminue fortement: sa tension n'est plus que de 7 V, contre 10 V auparavant. Si on augmente la valeur du condensateur C1 (de 100 nF à 1 µF), on obtient le graphe ci-dessous:

La fréquence de coupure se situe désormais aux alentours de 20 Hz.

Le filtrage est un domaine tellement vaste (et assez complexe) qu'il constitue presque une branche autonome de l'électronique moderne! Voici, à titre documentaire, comment l'AOP peut être utilisé pour réaliser des filtres plus élaborés, dits "du 2ème ordre".

Et voici, pour finir, un petit montage qui réjouira les audiophiles: un triple contrôle de la tonalité, à l'aide d'un seul TL082. Ce schéma est directement issu de la data sheet, qu'on se le dise!