Généralités et structure interne

L’amplificateur opérationnel est devenu un composant de base utilisé pratiquement partout en électronique. Généralement, en théorie, on utilise une description idéalisée de l’amplificateur opérationnel en le supposant parfait.

5.1.1 Structure d’un amplificateur opérationnel

La structure interne de la plupart des amplificateurs opérationnels peut se ramener au schéma simplifié de la figure 5.1.

Étage différentiel

Étage amplificateur

Amplificateur de sortie

V ^–

V ⁺ V_S

Figure 5.1 Schéma de principe d’un amplificateur opérationnel.

Cette représentation va nous permettre de comprendre la signification physique de certains paramètres qui permettent généralement de caractériser les performances d’un amplificateur opérationnel. Citons par exemple :

• l’amplification en boucle ouverteAv0 ;

• l’impédance d’entréeZeet l’impédance de sortieZs;

• le taux ou rapport de réjection en mode commun TRMC ;

• la fréquence de transitionfT;

• le « slew rate » qui caractérise la vitesse maximale de l’évolution de la sortie.

L’amplificateur opérationnel se présente, en général, sous la forme d’un amplifica-teur à entrée différentielle et à sortie unique (figure 5.2).

+ –

V ^–

V ⁺ V_S ⁺

–

V ^–

V ⁺ V_S

Figure 5.2 Représentation d’un amplificateur opérationnel.

L’entrée notée « + » s’appelle l’entrée non inverseuse et l’entrée notée «−» est l’entrée inverseuse qui provoque une opposition de phase entre la sortie et l’entrée.

Le schéma de brochage le plus rencontré est donné à la figure 5.3.

Ampli op Sortie + V cc

- V cc offset nul

offset nul N.C

entrée

"-" entrée "+"

Figure 5.3 Schéma de câblage d’un amplificateur opérationnel.

L’amplificateur opérationnel est un composant de l’électronique qui résulte de l’in-tégration de plusieurs étages amplificateurs dans un même boîtier. Il comporte géné-ralement deux entrées, appelées respectivemententrées inverseuse(−) etnon inver-seuse(+), et une seule sortie.

Du point de vue fonctionnel, la tension est proportionnelle à la différence de poten-tiel qui existe entre les deux bornes d’entrée, ce qui s’exprime par la relation :

VS = Ad

V⁺−V⁻

Ad est appelé amplification différentielle. En pratique la valeur de ce coefficient multiplicatif est de plusieurs centaines de milliers.

Si l’une des entrées sert de référence de potentiel, la sortie est en phase (si V⁻ =référence) ou en opposition de phase (siV⁺ =référence). Le signe « – » qui peut affecter le gain indique une opposition de phase entre la sortie et l’entrée.

Remarque. Afin de permettre l’obtention des tensions de sortie positive et néga-tive, l’alimentation en énergie de l’amplificateur opérationnel s’effectue souvent de façon symétrique (+VCC et−VCC).

Souvent, l’étude des applications de l’amplificateur se fait très simplement à partir d’un modèle idéalisé. En cas de nécessité, des corrections peuvent ensuite être appor-tées afin de tenir compte des caractéristiques réelles de l’amplificateur opérationnel.

5.1.2 Étude des différents étages

Sur le schéma simplifié de la figure 5.1, on distingue trois étages d’amplification.

On peut prendre par exemple la structure interne de la figure 5.4 de l’amplificateur opérationnel 741 pour comprendre le fonctionnement.

a) Premier étage

Il s’agit d’une paire différentielle (T1et T2) alimentée par une source de courant qui délivre un courant constant 2IC0. La paire différentielle est chargée par un miroir de courant (T3, T4). La sortie se trouve au collecteur 2 du transistor n˚ 2 qui est relié à la base B5du second étage.

Au repos, les courants collecteurs sont identiques IC1 = IC2 = IC0 = IC3. Le courant qui circule dans le transistor T4 est égal à IC4 = IC0 − IB5. Ce courant est très proche du IC3 et on peut considérer ces deux courants comme identiques :

IC3=IC4.

Si on injecte maintenant une tension différentielleuD, les courants deviennent : IC1=IC0+ gm1uD

2 ; IC2= IC0−gm2uD

2 ; IC4=IC1= IC0−IB5+gm1uD

2 Le courant de commande du second étage est :

IC2−IC4=IC0−gm2uD

2 −IC0+IB5−gm1uD

2 =IB5−gm1uD

Pour la dernière formule, on a supposé que les deux branches de la paire différentielle sont identiques avecgm1 =gm2 = gm. Le premier étage agit comme une source de courant commandée en tension avec un coefficient de transfert égal àgm.

b) Deuxième étage

Le second étage est un montage émetteur commun en Darlington qui agit comme une source de tension commandée en courant. Le coefficient de transfert estrm.

vS =v6=−rmIB5

c) Troisième étage

Le troisième étage est l’étage de sortie qui est un montage en « push-pull ». Les tran-sistors T7et T8sont deux transistors complémentaires de type NPN et PNP. Ces deux

©Dunod–Laphotocopienonautoriséeestundélit

transistors fonctionnent alternativement en collecteur commun, adaptateur d’impé-dance dont l’amplification en tension est pratiquement l’unité. Il s’agit d’une source de tension commandée en tension.

La paire différentielle d’entrée est rarement constituée d’un seul transistor de chaque côté, la structure d’un amplificateur opérationnel du type 741 qui est donnée à la figure 5.4, montre que chaque branche de la paire différentielle est formée d’un transistor NPN et d’un transistor PNP.

T₃ T₄

Figure 5.4 Structure interne de l’amplificateur opérationnel 741.

5.1.3 Schéma équivalent en petits signaux

L’amplificateur opérationnel est assimilé à un quadripôle, ce dernier étant intro-duit dans un réseau linéaire de préférence (mais il n’en va pas toujours ainsi). Les méthodes générales d’études des réseaux s’appliquent donc.

Pour l’amplificateur opérationnel idéal les équations obtenues sont en général simples du fait de ses propriétés.

V_S V_S

V^– V^–

V⁺ V⁺

e

+ Vcc + Vcc

– Vcc – Vcc

+

I ^–

-I ⁺ Z_e A_de

Z_S

Figure 5.5 Amplificateur opérationnel sous forme d’un quadripôle.

Le modèle de l’amplificateur opérationnel idéal se décrit à l’aide des relations. : Ad → ∞ ; Ze → ∞ ; Zs →0 et une bande passante infinie.

• L’amplification différentielle étant infinie (infiniment grande en réalité), si la tension de sortieVsreste dans la zone linéaire de fonctionnement (Vs comprise entre les tensions d’alimentation « +Vcc » et «−Vcc »), il en résulte que la dif-férence de potentiel à l’entrée est pratiquement nulle :´ =0. À la limite, nous supposons :V⁺ =V⁻.

• L’impédance d’entréeZeinfinie, implique que les courants :I⁺ =I−=0.

• Une impédance de sortie nulle permet de placer en sortie une charge de valeur quelconque sans que la tension Vs soit affectée par la valeur de la charge en sortie.