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.

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, donné par la formule ci-contre, est toujours supérieur à 1. Il peut être ajusté finement à l'aide d'un potentiomètre. La sortie est en phase avec l'entrée. 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.

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.

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 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 inverseur permet, notamment, de mélanger plusieurs signaux ensemble ou encore d'écouter plusieurs récepteurs sur un seul amplificateur. On notera la similitude avec le montage inverseur vu précédemment. On peut ajuster le gain globalement en jouant sur R, et le gain de chaque entrée séparément en jouant sur les résistances Re (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 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 (Ue2 - Ue1) multipliée par le gain, qui vaut R4/R3 ou R2/R1.

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 est présenté sur l'entrée e+ et la tension de référence est fixée sur l'entrée e-. L'alimentation est non symétrique. Si Ue > Uref, Us sera à l'état haut. Si Ue < Uref, Us sera à l'état bas. Ce montage est souvent associé, par exemple, à des systèmes de détection (franchissement d'un seuil, d'une valeur de consigne...).

On voit sur ce chronographe l'évolution de la tension de sortie (en vert) de l'AOP en fonction de la variation du signal d'entrée (en jaune). Tant que la valeur de la tension du signal jaune reste sous la valeur de la tension de référence Uref (rouge), la sortie est basse. Dès que la tension du signal jaune passe au-dessus de la valeur de Uref, la sortie bascule immédiatement à l'état haut.

Voici une application pratique du comparateur de tensions; il s'agit d'un double comparateur 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. A noter qu'il s'agit d'un montage en comparateur inverseur. A l'état bas, la tension de sortie de l'AOP est de zéro.

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. 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", 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 via des diodes petites signaux (fonction anti-retour). On a donc en définitive une seule sortie (notée S). En prenant Vcc = 9 V, la sortie sera haute à la double condition que Ue > 3 V et Ue < 6 V. A noter qu'il s'agit ici d'un montage en comparateur non inverseur, le signal à comparer étant présenté sur les entrées e+.

Rien n'empêche d'imaginer d'autres variantes, comme par exemple une fenêtre "ajustable", qui pourrait être redimensionnée, au besoin, à l'aide de potentiomètre(s)...

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. Si on désire réaliser un filtre passe-haut (atténuer les basses fréquences, amplifier les hautes fréquences), le montage est identique, sauf que C est mis en parallèle avec la résistance d'entrée R1.

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.

A gauche, un filtre passe-bas du 2ème ordre. A droite, un filtre passe-haut 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!