En plus des résistances et des condensateurs qui sont des composants passifs, les amplificateurs opérationnels font partie des éléments de base des circuits électroniques analogiques. Les amplificateurs opérationnels sont des dispositifs linéaires qui présentent toutes les propriétés requises pour garantir une amplification CC quasiment parfaite. Ils sont donc largement utilisés dans le domaine du conditionnement et du filtrage des signaux ou pour effectuer des opérations mathématiques comme l'addition, la soustraction, l’intégration et la dérivation. Cet article a pour objet de présenter 10 circuits de base aux novices en matière de conception électronique et de rafraîchir la mémoire des ingénieurs.
1. Suiveur de tension
Le circuit le plus élémentaire est le tampon de tension, car il ne requiert aucun composant externe. Étant donné que la tension de sortie est égale à la tension d'entrée, les étudiants peuvent rester perplexes et se demander à quoi sert un tel circuit dans la pratique.
Ce type de circuit permet de créer une impédance d'entrée très élevée et une faible impédance de sortie. Cela est très utile pour assurer l'interface aux niveaux logiques entre deux composants ou lorsque l'alimentation est basée sur un diviseur de tension. La figure ci-dessous est fondée sur un diviseur de tension et le circuit ne peut pas fonctionner. En effet, l'impédance de charge peut présenter de fortes variations qui peuvent entraîner des écarts considérables au niveau de la tension VOUT. C'est principalement le cas si la valeur de l'impédance de charge est du même ordre de grandeur que R2.
L'insertion d'un amplificateur entre la charge et le diviseur de tension permet de résoudre ce problème (voir la figure ci-dessous). En effet, la tension VOUT dépend de R1 et R2 et non de la valeur de la charge.
Comme son nom l'indique, la fonction principale d'un amplificateur opérationnel est d'amplifier un signal. Par exemple, il est nécessaire d'amplifier la sortie d'un capteur pour que le convertisseur analogique-numérique puisse mesurer ce signal.
2. Amplificateur opérationnel inverseur
Dans cette configuration, la sortie retourne à l'entrée négative ou inverseuse via une résistance (R2). La signal d'entrée est appliqué à cette broche inverseuse via une résistance (R1).
La broche positive est reliée à la terre.
Cela est évident dans le cas particulier où les valeurs de R1 et R2 sont égales. Cette configuration permet de produire un signal complémentaire de l'entrée, puisque la sortie représente exactement l'inverse du signal d'entrée.
En raison du signe négatif, les signaux d'entrée et de sortie sont déphasés. S'ils doivent être en phase, il convient d'utiliser un amplificateur non inverseur.
3. Amplificateur opérationnel non inverseur
Cette configuration est très similaire à celle de l'amplificateur opérationnel inverseur. Pour l'amplificateur non inverseur, la tension d'entrée est directement appliquée à la broche non inverseuse et l'extrémité de la boucle de rétroaction est reliée à la terre.
Ces configurations permettent d'amplifier un signal. Il est possible d'amplifier plusieurs signaux en utilisant des amplificateur sommateurs.
4. Amplificateur sommateur non inverseur
Pour ajouter 2 tensions, seules 2 résistances peuvent être ajoutées à la broche positive du circuit d'amplificateur opérationnel non inverseur.
Il convient de noter que l'ajout de plusieurs tensions n'est pas une solution offrant beaucoup de souplesse. En effet, si une 3e tension était ajoutée en conservant exactement les mêmes résistances, la formule serait Vs = 2/3 (V1 + V2 + V3).
Il faudrait changer les résistances pour obtenir Vs = V1 + V2 + V3,. La 2e alternative consiste à recourir à un amplificateur sommateur inverseur.
5. Amplificateur sommateur inverseur
Lorsque des résistances supplémentaires sont placées en parallèle sur la broche d'entrée inverseuse du circuit d'amplificateur opérationnel inverseur, toutes les tensions s'additionnent.
Contrairement à l'amplificateur sommateur non inverseur, il est possible d'ajouter un nombre illimité de tensions sans modifier la valeur des résistances.
6. Amplificateur différentiel
L'amplificateur opérationnel inverseur (voir le circuit numéro 2) amplifiait une tension appliquée à la broche inverseuse et la tension de sortie était déphasée. Dans cette configuration, la broche non inverseuse est reliée à la terre.
Si le circuit ci-dessus est modifié en appliquant une tension au moyen d'un diviseur de tension sur la broche non inverseuse, nous obtenons un amplificateur différentiel tel que présenté ci-dessous.
Les amplificateurs sont d'une grande utilité et pas seulement parce qu'ils permettent d'ajouter, de soustraire ou de comparer des tensions. Vous pouvez employer un grand nombre de circuits pour modifier des signaux. Voyons les plus simples.
7. Intégrateur
Il est très facile de générer une onde carrée, simplement en faisant basculer un GPIO d'un microcontrôleur par exemple. Si un circuit requiert une onde de forme triangulaire, une manière efficace de procéder consiste à intégrer le signal à onde carrée. Si vous installez un amplificateur opérationnel, un condensateur sur le chemin de rétroaction inverseur et une résistance au niveau de la broche inverseuse d'entrée, comme indiqué ci-dessous, le signal d'entrée est intégré.
N'oubliez pas qu'une résistance est souvent branchée en parallèle au condensateur pour éviter les problèmes de saturation. En effet, si le signal d'entrée est une onde sinusoïdale à très basse fréquence, le condensateur se comporte comme un circuit ouvert et bloque la tension de rétroaction. Il se conduit alors comme un amplificateur en boucle ouverte normal et il entre en saturation à cause de son gain en boucle ouverte très élevé. Grâce à une résistance placée en parallèle au condensateur, le circuit se comporte comme un amplificateur inverseur à basse fréquence, ce qui évite la saturation.
8. Amplificateur différentiateur
Le différentiateur fonctionne de la même manière que l'intégrateur en permutant le condensateur et la résistance.
Toutes les configurations qui ont été présentées jusqu'ici.
9. Convertisseur courant à tension
Un photodétecteur convertit la lumière en courant. Pour convertir le courant en tension, une configuration utilisant un circuit simple avec un amplificateur opérationnel, une boucle de rétroaction via une résistance sur la broche non inverseuse et une diode connectée entre les deux broches d'entrée vous permet d’obtenir une tension de sortie proportionnelle au courant généré par la photodiode, comme le démontrent les caractéristiques de la lumière.
Le circuit ci-dessus applique la formule fondamentale de la loi d'Ohm : la tension est égale au produit de la résistance par le courant. La résistance a toujours une valeur positive exprimée en ohm. Néanmoins, grâce aux amplificateurs opérationnels, il est possible de concevoir une résistance négative !
10. Résistance négative
Une rétroaction sur la broche inverseuse force la tension de sortie à prendre une valeur égale au double de la tension d'entrée. Comme la tension de sortie est toujours supérieure à la tension d'entrée, la rétroaction positive via la résistance R1 sur la broche non inverseuse simule une résistance négative.
Pour finir, un circuit doté d'un amplificateur opérationnel ne modifie pas forcément le signal d'entrée, mais l'enregistre comme un amplificateur détecteur de crête.
Également : amplificateur opérationnel détecteur de crête
Le condensateurs sert de mémoire. Lorsque la tension à l'entrée non inverseuse est supérieure à la tension à l'entrée inverseuse qui correspond également à la tension aux bornes du condensateur, l'amplificateur entre en saturation et la diode est polarisée en sens direct et charge le condensateur. Si le condensateur ne présente pas un taux d'autodécharge élevé, lorsque la tension d'entrée Ve est inférieure à la tension aux bornes du condensateur, la diode est bloquée. La tension de crête est donc enregistrée grâce au condensateur.
Bien qu'il existe une multitude d'autres circuits comportant des amplificateurs opérationnels, il convient de bien maîtriser ces 10 circuits fondamentaux pour passer plus facilement à l'étude de circuits plus complexes.