Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Amplificateur opérationnel I. Structure idéale II. Montages linéaires III. Structure non idéale et comportement en fréquence C. Koeniguer, P. Lecoeur Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 Objectifs : Introduire la notion d’amplification L’amplificateur opérationnel : structure idéale Importance des impédances d’entrée et de sortie Introduire les notions de gains en puissance et en tension Etablir les fonctions de transfert des structures de base Etablir et tracer les diagrammes de Bode en gain et en phase Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

I. L’amplificateur opérationnel : structure idéale VS + - +Valim -Valim C’est un amplificateur en tension : Fonction réalisée : VS=Ae= A(V+-V-) A : gain en tension infini dans le cas idéal Caractéristique de la fonction de transfert : VS e Pente infinie structure d’amplification à deux entrées et une sortie l’énergie nécessaire pour amplifier est apportée par une alimentation DC externe qui peut-être : une alimentation symétrique : Valim = +Valim = -Valim une alimentation positive : Valim = +Valim et –Valim = 0 En général : (Vsat = -Valim + Tdéchet) < Vs < (Vsat = +Valim – Tdéche) avec (Tdéchet = 0,6 V) il existe des ampli-opérationnels « rail to rail » pour lesquels : -Valim < Vs < +Valim Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 I. L’amplificateur opérationnel : structure idéale Impédance d’entré et impédance de sortie Re R0 ve vL Ri Avi vS RL Source Amplificateur Charge + - En entrée (on a un diviseur de tension) : Conclusion si Ri =  et R0 = 0 : Pour avoir vi = ve il faut Ri >> Re donc idéalement Ri =>  En sortie (on a un diviseur de tension) : Pour avoir vL = Avi il faut idéalement R0 ~ 0 Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 I. L’amplificateur opérationnel : structure idéale Le premier amplificateur opérationnel : le K2-W -Vin +Vin Vout A Extrait du cours du Prof. Greg Kovacs, Stanford University 12 mm 8 mm Boîtier DIP 8 1966 – Le LM 741 de Fairchild Semiconductor Beaucoup plus récent, le TL081 Amplificateur BiFET Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 I. L’amplificateur opérationnel : structure idéale Seule, cette structure est peu intéressante (excepté pour le fonctionnement en comparateur) puisque : - si e > 0 alors VS = Vsat - si e < 0 alors VS = -Vsat Mais, si on prélève une partie du signal de sortie pour l’injecter : Sur la borne (-) on obtient : Sur la borne (+) on a alors : Un fonctionnement linéaire montage avec contre réaction Un fonctionnement non linéaire - montage avec réaction positive Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Fonctionnement en régime linéaire : Montage avec contre réaction I. L’amplificateur opérationnel : structure idéale Fonctionnement en régime linéaire : Montage avec contre réaction Mise en équation : e vS - + ve R1 R2 V+=Ve Millman : e =V+-V-= ve - kvs droite de pente –1/k Représentation graphique : vS e vsat -vsat pente : -1/k Discussion : Un point de fonctionnement : e= 0 donc V+ = V- Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Fonctionnement non linéaire : montage avec réaction positive I. L’amplificateur opérationnel : structure idéale Fonctionnement non linéaire : montage avec réaction positive Mise en équation : e vS + - ve R1 R2 V-=Ve On a diviseur de tension en V+ : e =V+-V-= kvs - ve droite de pente 1/k Représentation graphique : vS e +vsat -vsat pente : +1/k A B Discussion : Ve/k n’est pas un point de fonctionnement stable : e > 0 conduit à VS = +Vsat e < 0 conduit à VS = -Vsat Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 II. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Montage non inverseur : Montage inverseur : vS - + ve R1 R2 ie ib e vS - + ve R1 R2 ie ib fonction de transfert Impédance d’entrée : Impédance de sortie infinie fonction de transfert Impédance d’entrée : car ie=>0 Impédance de sortie : Montage suiveur : e vS - + ve Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 II. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Montage sommateurs : Additionneur inverseur : Soustracteur différentiel : R vS - + ve1 R1 ve2 R2 R R3 vS - + ve1 R1 ve2 R2 … vei Ri En utilisant le théorème de superposition : D’où : Chaque voie d’entrée possède une impédance propre L’impédance de sortie est nulle : Impédance de sortie nulle Impédance d’entrée : Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

II. L’amplificateur opérationnel : montages linéaires Convertisseur courant-tension : Source de courant : vS - + R1 ie vS - + RL iS ve R V+=V-=Ve iS=Ve/R V+=V-=0 VS=-R1ie Impédance d’entrée infinie Impédance de sortie infinie : is est indépendante de la charge RL est flottante : aucune référence à un potentiel fixe : elle correspond à la charge Impédances d’entrée et de sortie : nulles Photodiode Application : vS - + R ie AN : ie = 10uA R=1MW VS = 10 V Application : Commande de l’intensité traversant une ampoule ou d’une DEL Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence Avertissement : Pour comprendre le fonctionnement en fréquence d’un AOP Il faut abandonner le modèle parfait utilisé dans la première partie Par construction le comportement en fréquence de l’AOP est de type passe-bas avec : - une fréquence de coupure ( wc) de l’ordre de 10 Hz - un gain en tension Av important (et non plus infini) de l’ordre de 105 Ce qui conduit au diagramme de Bode en gain : log w 20 log (Vs/Ve) wc pente –20 dB/dec 20 log (AV) Cette fonction de transfert s’écrit : Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence Comportement en fréquence du montage non inverseur (1/2) : e vS - + ve R1 R2 ie ib Mise en équation : Fonction de transfert : Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence Comportement en fréquence du montage non inverseur (1/2) : Diagramme de Bode obtenu : vS - + ve R1 R2 ie ib log w 20 log (Vs/Ve) wc 20 log (AV) 20 log (AV’) wc’ On constate que : le produit gain bande est constant puisque : Avwc = Av’wc’ Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence Montage intégrateur ou passe-bas (1/2) : 20 log (Vs/Ve) 20 log (AV) R vS - + ve C i 0 dB log w wc 1/RC Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence Montage intégrateur ou passe-bas (2/2) : log w 20 log (Vs/Ve) 20 log (AV) 1/RC 20 log (R1/R) 1/R1C => limitation du gain à basses fréquences R vS - + ve C i R1 log w Arg(Vs/Ve) p p/2 Inverseur Intégrateur Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence Montage dérivateur ou passe-haut (1/2) : log w 20 log (Vs/Ve) 20 log (AV) 1/RC ve R vS - + C i Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007

Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007 III. L’amplificateur opérationnel : comportement en fréquence Montage dérivateur ou passe-haut (2/2) : log w 20 log (Vs/Ve) 20 log (AV) 1/RC 1/R1C 20 log (R/R1) => limitation du gain à hautes fréquences ve R vS - + C i R1 Cours électronique IFIPS Année 2006 - 2007