Les amplificateurs opérationnels (amplis OP) continuent de jouer un rôle important dans les circuits qui s'interfacent avec des systèmes de traitement des signaux analogiques. Ces amplificateurs de tension sont conçus pour être utilisés avec des composants de retour externes tels que des résistances ou des condensateurs placés entre leurs bornes d'entrée et de sortie.
Les amplis OP figurent parmi les dispositifs électroniques les plus couramment utilisés aujourd'hui, puisqu'on les retrouve dans un large éventail d'appareils grand public, industriels et scientifiques. Il existe un très grand nombre de circuits intégrés d'amplificateurs opérationnels, conçus pour toutes les applications possibles (bipolaires standard, de précision, haut débit, faible bruit, haute tension, etc.), dans des configurations standard ou avec des transistors de jonction à effet de champ (Junction Field Effect Transistors, JFET).
Depuis l'invention du premier rempli OP (qui possédait un tube à vide) par Karl D. Swartzel, Jr. dans les laboratoires Bell en 1941, les fabricants s'efforcent de concevoir un meilleur modèle. Les caractéristiques de l'ampli OP « idéal » ou parfait consisteraient à offrir une valeur de gain Ao infinie en boucle ouverte, une valeur de résistance Rin infinie, une valeur de résistance de sortie Rout nulle, une bande passante infinie de 0 à ∞ et un décalage de zéro (la sortie étant exactement de zéro lorsque l'entrée est de zéro).
En réalité, les conceptions physiques et électriques, ainsi que les contraintes de coûts, obligent les fabricants à construire des amplis OP devant ménager des compromis entre performances et conception.
Par exemple, les amplis OP ne présentent pas de gain ou de bande passante infinis, mais ont en général un « gain en boucle ouverte », défini comme étant l'amplification de sortie de l'amplificateur sans qu'aucun signal de retour externe ne lui soit connecté, cela pour un amplificateur opérationnel d'environ 100 dB à DC (zéro Hz). Ce gain de sortie diminue linéairement avec la fréquence jusqu'au « gain unitaire », ou 1, à environ 1 MHz.
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Avec des applications qui continuent à repousser les limites des performances ou qui exigent des fonctionnalités supplémentaires, un grand nombre d'amplificateurs apparaissant aujourd'hui sont des circuits fortement optimisés pour un objet précis ou des besoins de performances spécifiques, selon Brian Black, directeur marketing de Linear Technology. B. Black donne l'exemple d'un ampli OP configuré comme un amplificateur transimpédance dans une application de photodiode. Linear Technology a élaboré deux amplis OP stables à gain unitaire : le LTC6268 (voir figure 1) et le LTC6269, optimisés pour des applications de circuit à haute impédance.
Figure 1 : l'ampli OP LTC6268 de Linear Technology. (Source : Linear Technology)
Linear Technology a conçu ces amplis OP avec une capacité faible entrée de 0,45 pF, ainsi qu'une tension d'entrée référée et un bruit de courant de 4,3 nV/√Hz à 1 MHz et 5,5 fA√Hz à 100 kHz, respectivement. Les amplis OP fournissent une bande passante de 4 GHz pour le gain.
Les amplis OP offrant des performances supérieures à celles de solutions analogiques plus intégrées, ils sont utilisés de plus en plus fréquemment dans des systèmes hautes performances et moins souvent dans des circuits électroniques grand public, d'après John Caldwell, ingénieur système en amplificateurs audio opérationnels chez Texas Instruments. « Les amplis op intéressent fortement les entreprises qui construisent des systèmes d'acquisition de données pour des applications de test et de mesure ou pour le contrôle de processus industriels. En revanche, une entreprise qui fabrique des hauts-parleurs Bluetooth n'en aura peut-être pas besoin car elle pourra élaborer son produit beaucoup plus vite et de façon beaucoup plus économique avec une solution intégrée. »
L'une des difficultés persistantes dans la conception d'amplis OP est de parvenir à atteindre un bruit minimal avec une consommation électrique modérée, selon Dwight Byrd, directeur marketing du département Amplis OP de Texas Instruments.
« Un des principaux problèmes que nous rencontrons chez TI est de pouvoir construire des étages de sortie à faible puissance assurant la stabilité avec des charges capacitives. On peut faire consommer à des amplis OP des quantités de puissance extrêmement faibles s'ils n'ont jamais d'interaction avec une charge capacitive. Or, ce n'est pas le cas dans la réalité. Le circuit de l'application, la carte PC et le package du circuit intégré lui-même peuvent tous contribuer à créer une capacité susceptible de déstabiliser l'ampli OP s'il n'est pas correctement conçu. Résoudre ce problème sans consommer trop de puissance est toujours une difficulté au niveau de la conception. »
De meilleures techniques de conception ont permis d'améliorer les performances des amplis OP. D. Byrd, spécialiste chez Texas Instruments, cite le TL072 de l'entreprise (figure 2) comme un bon exemple de modèle qui fut un temps considéré, avec sa spécification de bruit de tension large bande de 18 nV/√Hz, comme un ampli faible bruit.
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Il poursuit en expliquant que Texas Instruments offre maintenant l'OPA170, dont le bruit large bande est de 18 nV√Hz, mais qui consomme 1/10e de la puissance (110 µA comparé à 1,4 mA). Les amplis OP à entrée JFET comme l'OPA827 travaillent à présent sur la région de bruit inférieure à 4 nV/√Hz, et les amplis op bipolaires tels que l'OPA211 ou le LME49990 sont proches de 1 nV√Hz.
Figure 2 : l'ampli OP TL072 de Texas Instruments. (Source : Texas Instruments)
Les technologies modernes de trim et d'amplificateur chopper parviennent aussi à réduire les erreurs de c.c. dues aux décalages de tension et aux écarts de température, d'après D. Byrd, de Texas Instruments.
Avec la diminution continue des tensions d'alimentation dans les circuits analogiques en-dessous de 5 à 3,3 V, voire 1,8 V, des amplis OP capables de fonctionner avec des tensions encore inférieures continuent d'émerger.
« Pour compenser la baisse de la tension d'entrée et offrir de meilleures performances en matière de distorsion harmonique, de nombreux pilotes de convertisseurs analogique/numérique intègrent désormais des entrées différentielles, explique Brian Black, de Linear Technology. »
Les amplificateurs entièrement différentiels, tels que le LTC6363 de Linear Technology, comprennent des entrées différentielles et peuvent accepter une entrée à sortie unique ou une entrée différentielle. Le LTC6363 est également représentatif de la tendance du secteur à doter les amplis OP d'une sortie rail/rail (le signal de sortie peut aller de la tension d'alimentation la plus basse à la plus haute). L'ampli OP possède une plage de tensions d'alimentation allant de 2,8 à 11 V. Il présente un faible taux de distorsion, de 115 dB à 2 kHz, et un temps de stabilisation rapide de 780 ns vers une sortie 18 bits, 8 V pic à pic.
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D'après Dwight Byrd, de Texas Instruments, l'utilisation croissante d'instruments de modélisation des appareils à circuit intégré et d'outils logiciels de conception de circuits permet d'atteindre de plus en plus facilement les objectifs de performances des amplis OP.
« Aujourd'hui, au cours du processus de conception, on étudie aussi la façon dont les parasites présents dans le schéma du circuit intégré affectent les fonctionnalités et les performances du circuit. En examinant les effets de ces parasites, nous pouvons limiter les risques de mauvaise surprise lorsque nous recevrons la puce, par exemple une dégradation du taux de réjection du mode commun due à une mauvaise correspondance des capacités d'entrée d'un amplificateur. »