s
19 708 Pages

amplificateur opérationnel
Le μa741, produit par Signetics.

en électronique, un amplificateur opérationnel (en Anglais amplificateur opérationnel ou op-amp) Il est l'amplificateur différentiel DC couplé ayant (en général), une seule sortie asymétrique. Merci à sa polyvalence, il est l'un des dispositifs les plus largement utilisés aussi bien dans commerciale et scientifique, en particulier dans des circuits analogiques.

Idéalement, il est un circuit caractérisé par un gain de tension l'infini, un impédance d'entrée d'une valeur infinie, et un rien d'impédance de sortie. A partir de ces hypothèses, qui permettent la pratique d'effectuer les calculs pour contrôler le fonctionnement du réaction, descendre idéaux deux propriétés fondamentales: la différence entre les tensions appliquées à l'entrée est rien (si la rétroaction est négatif), et les courants d'entrée (Ipréjugé) Sont nulles.

Le nom est dû au fait que, avec elle, vous pouvez accomplir des circuits électroniques en mesure d'effectuer de nombreuses opérations mathématiques: la somme, la soustraction, la dérivé, l 'intégral, le calcul de logarithmes et antilogarithmes. Dans la plupart des applications de l'amplificateur opérationnel, il est constitué par un circuit intégré.

La plupart des amplificateurs opérationnels est conçu pour fonctionner avec une tension d'alimentation à deux, soit avec une valeur positive et une négative, symétrique par rapport à sol. Les deux tensions d'alimentation doivent pas nécessairement avoir la même valeur: par exemple, tension positive peut être 15 volts, que négatif 7 volts; la polyvalence de ces appareils est telle qu'il peut y avoir des applications dans lesquelles la tension négative peut être mis à zéro, à savoir le composant est alimenté par une seule tension. à double alimentation, le niveau du signal de sortie peut être comprise entre les deux valeurs de la tension d'alimentation inférieure à une petite marge, qui peut varier en fonction du type de fonctionnement adopté.

Du point de vue constructif, l'amplificateur opérationnel peut être réalisé avec transistor à jonction bipolaire (BJT) ou transistor à effet de champ (MOSFET, JFET); ce dernier travail à des fréquences plus élevées, permettent également d'obtenir une impédance d'entrée élevée et une faible consommation électrique. la paquet Il peut être en plastique, en céramique ou en métal et peut contenir jusqu'à quatre dispositifs identiques. Un type très spécial, conçu et commercialisé par des petits producteurs pour le secteur audiophile Il utilise une technologie appelée « discrète », à savoir, le circuit est réalisé avec des composants communs, mais assemblés sous une forme extrêmement miniaturisés, il peut donc être remplacé au composant intégré d'origine.

histoire

L'expression de l'amplificateur opérationnel a été produite pour la première fois dans les années 40 pour localiser un type spécial d'amplificateur au moyen d'un choix approprié des composants externes eseguisse une large gamme d'opérations. Les premiers amplificateurs ont été faites en utilisant des tubes à vide (vannes), Qui, cependant, avait hérité des valves tous les défauts: étaient très volumineux, consommé beaucoup d'énergie, étaient coûteux et imprécis au point de voir le décalage plus de 1V.

Un grand pas en avant dans la miniaturisation des amplificateurs opérationnels a eu lieu grâce à l'introduction de des transistors bipolaires.

Mais l'événement décisif pour la miniaturisation a été le développement de circuits intégrés. Le premier de ces appareils est le rapide (20 à 30 MHz de bande passante) et coûteux (temps 300 $) μA702 développé en Octobre 1964 par Robert J. Widlar puis encore à Fairchild. En 1968, le même fabricant a présenté les μA741 populaires conçues en 1968 par David Fullagar.

description

amplificateur opérationnel
goupille Typique.
amplificateur opérationnel
Modèle particulier d'un amplificateur opérationnel. Dans ce cas, l'entrée est l'une des bornes de dell'opamp connectés au pot. de réf. (Cas de gain d'entrée à une seule extrémité). Il peut être représenté comme Générateur de tension l'oscillateur commandé en tension , avec une résistance d'entrée et une résistance de sortie .

L'amplificateur opérationnel est un dispositif à haute gain (en dispositifs intégrés est souvent bien supérieure à 10 ^ 5) dont l'utilisation est autorisée par l'addition d'un réseau de réaction, qui relie la sortie à l'entrée de manière à diminuer la valeur du signal (tension ou courant) à l'entrée (dans le cas où la réaction est négative, comme cela se produit habituellement.[1]). De cette façon, le comportement de l'appareil ne dépend pas de la valeur particulière de son gain, ce qui est dit pour cette raison gain en boucle ouverte, mais seulement sur les caractéristiques du réseau de rétroaction.[2]

L'amplificateur opérationnel est un l'amplificateur différentiel équipé d'une sortie et deux entrées, qui amplifie la différence de potentiel entre les deux entrées. Une entrée est dit inverseuse et il est désigné par le symbole , l'autre est appelé non inverseuse et il est désigné par le symbole . décrit généralement l'amplificateur opérationnel avec un modèle idéal, dans lequel le gain est infini, l'impédance d'entrée est infini, l'impédance de sortie est égale à zéro et la gain de mode commun Il est nul. On suppose en outre que, dans un dispositif idéal, la réponse de sortie à une sollicitation d'entrée est instantanée, et que si les entrées ont la même valeur que la sortie est égale à zéro. Le fait que la résistance d'entrée est infini signifie que l'amplificateur ne pas absorber de courant quelconque des deux bornes d'entrée,[3] et le fait que la résistance de sortie est égale à zéro provoque un amplificateur opérationnel idéal est un parfait amplificateur tension. Utilisation de la configuration appropriée, par ailleurs, l'amplificateur opérationnel est également utilisé comme un amplificateur de courant.

Le fonctionnement de l'amplificateur opérationnel est basé sur la valeur élevée du gain en boucle ouverte est suffisante, même une faible variation de la différence de tension entre les entrées pour obtenir une valeur de sortie que l'appareil est capable de fournir. Par conséquent, la sortie répond à une variation de la différence de tension entre les entrées de manière à annuler cette modification. En d'autres termes, l'amplificateur fait en sorte que le réseau de rétroaction maintient un minimum (idéalement zéro), la différence de potentiel entre les deux entrées (dont le potentiel est dit terre virtuelle), Pour un gain limité et rendre le dispositif utilisable.[4]

ces et les valeurs de tension aux entrées, la tension de sortie est donnée par:

Il est le gain sans rétroaction (gain en boucle ouverte).

Considérons un amplificateur opérationnel avec une tension de gain en boucle ouverte de telle sorte que le réseau de rétroaction diminue l'entrée par un facteur . Il a:

à savoir:

il définit acquérir dans une boucle fermée le gain Amplificateur à rétroaction inséré:

Dans la limite où le gain en boucle ouverte est infinie, il estime qu'il a , tandis que pour le bon fonctionnement d'un dispositif réel, vous devez avoir le produit bien supérieur à l'unité.

amplificateur opérationnel
amplificateur opérationnel idéal.

L'un des principaux avantages qui ont conduit à l'utilisation intensive de l'amplificateur opérationnel dans presque tous les domaines de l'électronique analogique, et ce qui en fait est souvent préférable à un dispositif similaire qui fournit le même gain sans la nécessité d'un retour d'information, il est d'avoir un gain global (en boucle fermée) très peu dépendante de facteurs qui contribuent à son altération, comme la fréquence du signal d'entrée ou de la température. Il est à cause de cette caractéristique qui a historiquement été introduit l'utilisation d'une rétroaction négative, inventé par Harold Black pour obtenir une amplification d'un signal de téléphone correspondant à chaque fréquence et indépendante de l'amplitude (la première publication à ce sujet datant de 1934).[5]

Le discours pour l'amplification d'un signal de courant est tout à fait similaire: la capacité d'amplifier la tension ou de courant est déterminé par la configuration du réseau de rétroaction. En particulier, dans ladite configuration non inverseuse (Ci-dessous) du réseau de contre-réaction diminue la valeur de la tension du signal d'entrée, tandis que dans ladite configuration inverseuse La même chose se produit pour le courant.

En outre, si le comportement de la rétroaction est dépendant de la fréquence du signal d'amplificateur est un but égalisateur, tandis que si elle dépend de l'amplitude de l'amplificateur de signal, il est pas linéaire.

Configurations de base

Considérons un amplificateur opérationnel idéal, puis avec impédance entrée infinie, rien d'impédance de sortie, le gain et Bande passante Ils ont une valeur infinie.

configuration d'inversion

amplificateur opérationnel
Un amplificateur opérationnel dans une configuration d'inversion.

La configuration d'inversion est obtenue en appliquant la tension d'entrée sur la borne d'inversion et de garder l'autre borne au potentiel de référence, comme sur la figure. Un signal périodique de sortie est donc déphasée de 180 ° par rapport à l'entrée, à savoir le gain est négatif.

Pour les têtes des résistances et il y a des tensions respectivement et , et puisque le courant d'entrée ne passe pas . Il y a donc:[4]

Dans cette configuration, la rétroaction négative diminue la valeur du courant d'entrée, et donc l'impédance d'entrée (par exemple, mesurée entre les deux entrées) est donnée par l'impédance de l'amplificateur sans rétroaction divisé par un facteur , qui motive l'hypothèse d'une impédance d'entrée infinie dans le cas idéal, dans lequel le gain est infini. De même, la valeur d'impédance de la sortie dépend du fait que les évaluations rapporte à l'entrée d'une partie du courant de sortie: dans cette configuration, l'impédance de sortie est multipliée par .

Configuration non inverseuse

amplificateur opérationnel
Un amplificateur opérationnel dans une configuration non inverseuse.

Un amplificateur non inverseur est obtenue en appliquant la tension d'entrée sur la borne non-inverseuse et en maintenant l'autre borne sol à travers une résistance. La sortie est également en phase avec l'entrée. Les deux résistances forment un diviseur de tension, et étant au même potentiel les données que nous avons:[6]

puis:

Dans cette configuration, la rétroaction négative diminue la valeur de l'entrée de tension et donc l'impédance d'entrée est donnée par l'impédance de l'amplificateur sans contre-réaction multiplié par un facteur , qui motive l'hypothèse d'une impédance d'entrée infinie dans le cas idéal, dans lequel le gain est infini. De même, l'impédance de sortie est divisée par .

suiveur de tension ou tampon ou un adaptateur d'impédance

Dans le cas particulier d'un amplificateur non-inverseur avec et vous obtenez . Il est un amplificateur de tension de gain unitaire (notée fréquemment avec le terme anglais l'unité amplificateur tampon ou suiveur de tension), Qui en raison de la haute impédance d'entrée et faible impédance de sortie est souvent utilisé comme une impédance de découplage entre des circuits.[7]

Ratio de rejet du mode commun

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Ratio de rejet du mode commun.

La tension de sortie d'un l'amplificateur différentiel Elle est donnée par . Dans un dispositif réel, la sortie est décrite d'une manière plus précise par la relation:

est le gain de mode commun, généralement beaucoup plus petit que le gain différentiel . Le taux de réjection de mode commun (CMRR) est défini comme étant le rapport:

En général, le CMRR dépend de la fréquence du signal, et est un paramètre important dans le cadre de la réduction du bruit sur les lignes de transmission. Par exemple, lorsque l'on mesure un thermocouple dans un environnement bruyant (ie perturbé), l'environnement de bruit apparaît comme étant un décalage sur les deux entrées, et peut donc être représenté comme un signal de tension de mode commun. Le CMRR de l'instrument de mesure détermine l'atténuation appliquée au bruit.

amplificateur opérationnel réel

Dans un amplificateur opérationnel il n'y a pas de gain infini, bien qu'il ait une très grande valeur, typiquement de l'ordre de . En plus de l'impédance d'entrée est a , tandis que pour la sortie: . Il existe des amplificateurs opérationnels sur le marché a également un coût modeste avec une impédance d'entrée dans l'ordre de . Dans un véritable amplificateur la différence de potentiel qui doit être appliquée entre les entrées pour réinitialiser la sortie est rien, et est appelé tension de décalage. Il est la tension qui se produit dans la sortie d'alimentation de l'amplificateur (+ Vcc) et la connexion à des bornes d'entrée de référence. Au fil des entrées des amplificateurs opérationnels découlant également des courants qui produisent des chutes de tension sur la résistance ou impédances de sortie: l'amplificateur est donc jamais parfaitement équilibré, et ne . Pour cette raison, le courant dans les bornes d'entrée dépendent du type de transistor notamment si elle est l'amplificateur se compose d'un BJT ces courants sont de l'ordre de nanoampères, alors que pour la JFET Ils sont de l'ordre de picoampère.

Il définit le courant de décalage:

Beaucoup possèdent commercialement opérationnels les entrées supplémentaires pour réinitialiser cette tension.

Un paramètre important est le rejet du rapport de tension d'alimentation (en Anglais taux de réjection d'alimentation, PSRR abrégé). Si les tensions d'alimentation varient, varier les points de fonctionnement des transistors internes et à son tour, provoque les changements de tension de décalage. Par conséquent, il définit:

qui représente la variation de la tension de décalage provoquée par une variation de 1 V de la tension d'alimentation. Le PSRR peut être indiquée à la fois en dB est en microvolts / V, et a des valeurs similaires à celles du CMRR. Lorsque l'appareil est alimenté par des tensions bien réglées, sans bruit et constamment symétrique, l'effet de la valeur finie du PSRR est généralement négligeable par rapport à d'autres sources d'erreur. Dans certains dispositifs, la tension de décalage peut être corrigée en agissant sur une paire de goupille supplémentaires. De plus, il sont opérationnels conçus pour fonctionner avec une seule tension par rapport à sol, l'un des est le «le plus communLM358.

circuit Applications

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Filtre (électronique).
Intégrateur / Shunt
TriggerSchmitt CMP.png

L'amplificateur opérationnel avant l'avènement de numérique Il a été utilisé dans de nombreuses applications. Du point de vue opérationnel, il est utilisé comme additionneur analogique et soustracteur, comment shunter et supplément et aussi comme un multiplicateur analogique. Du point de vue du circuit, il est un grand l'amplificateur différentiel et un amplificateur logarithmique, peuvent également être utilisés en tant que générateur de courant idéal, Convertisseur tension-courant et les formes d'ondes du générateur.

Merci au fait que l'amplificateur opérationnel, il est possible d'effectuer toutes les opérations mathématiques mentionnées ci-dessus, il a été utilisé, en particulier dans le passé lorsque le ordinateur électronique numérique pas encore possédé la puissance et la vitesse de calcul du moderne ordinateur, pour la réalisation de ordinateurs analogiques capable de résoudre équations différentielles en temps réel.

En outre, avec les amplificateurs opérationnels peuvent être produits filtres, en particulier filtres, qui est, comme filtre passe-haut, passe-bas, passe-bande et entaille. Mais il y a d'autres comme filtre Butterworth et un filtre Chebyshev. Tous ces filtres sont également linéaires.

D'autres filtres sont utilisés dans lesquels les amplificateurs opérationnels sont des filtres non-linéaires.

Les amplificateurs opérationnels sont également utilisés comme comparateurs tous deux tensions de phases (voir Schmitt) Et comme modulateurs. D'autres utilisations comprennent le circuit échantillonnage et de maintien et l'utilisation dans convertisseur analogique-numérique conversion.

Intégrateur / dérivation

L'introduction d'un condenseur dans la boucle de rétroaction ou à l'entrée, on obtient un amplificateur capable d'effectuer des opérations de intégration ou dérivation. La fréquence minimale du signal est limitée à l'intérieur des valeurs déterminées par les paramètres des composants utilisés (intégrateur limité), et notamment à partir du réseau de charge RC temps, . Au-delà de ces limites, le circuit entre la saturation de distorsion du signal.

Opération d'intégration:

Dans le cas où l'entrée est appliqué un signal sinusoïdal, il est toujours sortie détecter un signal sinusoïdal, mais déphasé de + 90 °, ce qui est équivalent à un signal cosinusoïdal. Si l'entrée est appliquée à une onde rectangulaire, la sortie sera un signal triangulaire. Si l'entrée est appliquée une onde triangulaire, la sortie, il y aura un signal constitué d'une des branches de parabole.

Opération de la Direction:

Comparator

Profitant du gain élevé présentée par l'amplificateur opérationnel en l'absence de réaction, on peut facilement obtenir un comparateur de tension. Il est dit un circuit comparateur apte à délivrer à sa sortie une tension continue, qui peut prendre seulement deux niveaux, et ainsi indiquer une condition particulière de l'inégalité entre les deux tensions d'entrée. En appliquant les deux signaux à comparer aux deux entrées, la sortie prendra une valeur de tension à la tension d'alimentation positive (saturation) si l'entrée de non-inversion a une dell'invertente de tension plus élevée. Dans le cas contraire, la sortie présente une tension proche l'alimentation négative. Pour cette fonction, il y a, cependant, des dispositifs spécifiques (comparateurs de tension), certains d'entre eux alimenté avec une tension unique par rapport au potentiel de référence, parmi ceux-ci l'un des paraphé le plus commun LM339, contient dans un boîtier à 14 broches, 4 comparateurs identiques.

Comparateur à hystérésis

L'introduction d'une entrée modérée de rétroaction non-inversion, pour ajouter le signal entrant, vous pouvez obtenir un comparateur hystérèse ou Schmitt. Ce type de comparaison est utilisé pour éliminer toute indécision de commutations indésirable et produit par bruit Électrique. En pratique, la tension de référence est pas constante mais dépend de l'état de la sortie, de sorte que le seuil de commutation est plus grande vers le haut par une certaine marge par rapport au seuil de commutation vers le bas. Dans un comparateur de déclenchement / Schmitt peut être identifié au moyen des tensions de référence, et les seuils de commutation. Ces quantités sont liées entre elles par les relations suivantes (En se référant à la figure):

Schmitt Trigger Inversion:

Schmitt Trigger non Inverting:

notes

  1. ^ Les commentaires positifs, beaucoup moins diffus, est utilisé par exemple dans la production de oscillateurs.
  2. ^ Horowitz, Colline, Pg 176.
  3. ^ En raison de ces propriétés, un amplificateur opérationnel est souvent représenté par un nullor. Dans certaines applications, cette propriété est manquante, car le circuit est conçu pour exploiter les caractéristiques non linéaires de transcaratteristica. Par exemple, cela se produit dans les circuits de comparaison.
  4. ^ à b Horowitz, Colline, Pg 177.
  5. ^ Horowitz, Colline, Pg 233.
  6. ^ Horowitz, Colline, Pg 178.
  7. ^ Horowitz, Colline, Pg 179.

bibliographie

  • (FR) Paul Horowitz, Winfield Hill, L'art de l'électronique, 2e édition, Cambridge, Cambridge University Press, 1989 ISBN 0-521-37095-7.
  • (FR) Amplificateurs opérationnels de base et circuits intégrés linéaires; 2e édition; Floyd Thomas L; David Buchla; 593 pages; 1998; ISBN 978-0-13-082987-0.
  • (FR) Conception avec amplificateurs opérationnels et circuits intégrés analogiques; 3ème édition; Sergio Franco; 672 pages; 2002; ISBN 978-0-07-232084-8. (Site web du livre)
  • (FR) Amplificateurs opérationnels et circuits intégrés linéaires; 6ème Ed; Robert F Coughlin; 529 pages; 2000; ISBN 978-0-13-014991-6.
  • (FR) Op-ampères et circuits intégrés linéaires; 4e édition; Ram Gayakwad; 543 pages; 1999; ISBN 978-0-13-280868-2.
  • (FR) Op Ampère et circuits intégrés linéaires; 1er Ed; James M Fleur; 640 pages; 2001; ISBN 978-0766817937.
  • (FR) Op Ampère pour tout le monde; 1er Ed; Ron Mancini; 464 pages; 2002; Texas Instruments SLOD006B. (PDF Télécharger)

Articles connexes

D'autres projets

liens externes

Fiches techniques
autorités de contrôle GND: (DE4043590-8