I.1 GENERALITES I.2 DESCRIPTION

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1 LES AMPLFCATEURS OPERATONNELS. GENERALTES Un amplifiateur opérationnel (AO) it aui iruit intégré linéaire et ontitué un enemble e ompoant életronique atif et paif onneté le un aux autre an un même boîtier. l et appelé aini amplifiateur opérationnel ar e première appliation ont été la réaliation e opération mathématique (aition, outration, multipliation, iiion, intégration et ériation) pour le alul analogique. nitialement e amplifiateur étaient réalié à l aie e tube, il étaient on olumineux et préentaient e érie iffiile à ompener. Le progrè tehnologique, ont permi e le réalier à l aie e tranitor, pui e iruit intégré ; e qui fait que l on peut le oniérer omme un ompoant, en fait, il agit une e fontion le plu importante e l életronique analogique. Sa impliité emploi fait qu on l utilie e plu en plu, même : à e puiane importante : amplifiateur opérationnel e puiane. à e fréquene éleée : amplifiateur opérationnel rapie.. DESCRPTON L amplifiateur opérationnel et un iruit intégré monolithique, enfermé ur un boîtier e 8 à 4 brohe. l préente le borne uiante (a u 74 et u TL8) : eux borne entrée : non inereue e (B 3 ) et inereue e ( B ). une borne e ortie S (B 6 ). eux borne pour l alimentation : poitie V CC (B 7 ) et négatie V EE (B 4 ). le borne et 5 peuent erir à la onnexion e réitane et e apaité (pour le réglage offet et la orretion en fréquene). la borne 8 et non utiliée. V CC Balane (ou éalage) Entrée e Entrée e V CC 7 V CC NC Sortie S Balane (ou éalage) e 3 e ε Figure. : Boîtier tanar un AO (74, TL8) V CC SET DE NABEUL (4)

2 La repréentation normaliée un amplifiateur opérationnel et elle iniquée par la figure..a. le " triangle " ignifie qu il agit un ompoant uniiretionnel. la tenion entrée ifférentielle et : = e e le borne alimentation ne ont en général pa repréentée ur le héma. L alimentation un AO (fig...b) et aurée par eux oure e tenion ontinue en V CC ( B 7 ) et V EE (B 4 ), en général ientique (V EE = V CC, e n et pa obligatoire) mai oient reter an e limite impoée (par exemple e,5 V à 8 V pour un 74 ou un TL 8). Le point ommun e alimentation (mae) n et pa onneté au iruit intégré, mai ontitue la référene e potentiel u montage. e e e e e e V CC V EE Figure.a : Symbole un AO Figure.b : Alimentation un AO.3 CONSTTUTON On amet qu un iruit intégré linéaire et ontitué par la mie en aae e troi étage a liaion irete. Amplifiateur opérationnel e e Etage Etage Etage 3 Amplifiateur ifférentiel Aaptateur 'impéane Amplifiateur e puiane Figure.3 : Contitution un AO L étage entrée et un amplifiateur e ifférene aratérié par une grane amplifiation ifférentielle et une trè grane impéane entrée. L étage interméiaire fontionne en amplifiateur e tenion a émetteur ommun pour augmenter le gain en tenion. L étage e ortie et un amplifiateur e puiane a olleteur ommun qui poèe une faible impéane e ortie. SET DE NABEUL (4) 3

3 .3. Amplifiateur ifférentiel Comme on nom l inique l amplifiateur e ifférene permet amplifier la ifférene e eux tenion entrée, ontinue ou ariable. C et le premier étage un amplifiateur opérationnel, on étue permet alor e égager le performane un tel iruit intègre linéaire..3.. Montage a tranitor Le eux tranitor T et T ont V CC uppoé rigoureuement ientique, il appartiennent alor à un même iruit intégré et non plu iolé. Le eux réitane R C et R C ont égale R C = R C = R C. D R C R C C C B B T T La oure e tenion ontinue V CC, aure la polariation en inere e jontion baeolleteur e tranitor. Le générateur e ourant ontinu r g g E A E = = R r g g CM repréenté par on moèle équialent e Norton, aure la polariation en iret e jontion baeémetteur. M Figure.4 : Amplifiateur ifférentiel.3... Etue en ontinu Le graneur e repo ont alulée en uppoant que = =. Le montage étant parfaitement ymétrique, on à alor : B = B = B ; C = C = C ; E = E = E et omme B << C alor E = C. V BE = V BE = V BE ; V CE = V CE = V CE et omme = = alor V AM = V BE. Le aleur e élément u montage ont hoiie afin que la polariation permette un fontionnement en amplifiateur, il n y a ni bloage ni aturation. Au nœu A on à : E C E V R AM E C V R BE C V ( )( R BE ) V C M C V CC R C V ( )( R BE ) C V C M V CC RC ( )( V R BE ) SET DE NABEUL (4) 4

4 La tenion V CM et une ompoante ontinue ifférente e zéro, bien que et ont nulle. En préene e tenion alternatie et, la ortie prie entre C et M, ne era pa purement alternatie ; elle omportera la ompoante ontinue V CM Etue en alternatif faible ignaux a) Shéma équialent On uppoe que le tranitor fontionnent en régime linéaire. Le eux tranitor ont remplaé par leur héma équialent implifié, e même paramètre ynamique : r = r = r et β = β = β. La oure e tenion ontinue V CC et remplaée par un ourtiruit, la oure e ourant par un iruit ouert. Le réitane interne r g et r g e générateur e tenion alternatie et, peuent être négligée ou inlue an r et r. i B r E A E r B i b i r g i i b r g C R C e g CM R C R C CM e g D M Figure.5 : Shéma équialent en alternatif b) Calul e gain : Tenion ifférentielle. C : Tenion e moe ommun. ri ri b Ri Ri r(i r(i i Au nœu A on a : i ( (i i ) b b i ) b i ) Ri i b r (*) r(i b i b ) R( (i ib ) ib ib C r R( (**) C C ( ) ( ) ib et ( ) ( ) ib r r R( r r R( SET DE NABEUL (4) 5

5 Utiliation à référene ommune : C M CM A βr i b βr i R β r R β r R β r R( R β r R( A A A A R β : C et l amplifiation ifférentielle en tenion, elle trauit le fait que la ifférene r e tenion entrée ( = ) et amplifiée. A R β : C et l amplifiation en tenion e moe ommun, lorqu on à =, r R( 'et à ire i = =, e qui onne CM = A = A = A. Utiliation en ortie ifférentielle ou flottante : A CC CM C M A A ( A A ) R C C A β : En ortie flottante, l amplifiateur e ifférene et parfait. r Un amplifiateur ifférentiel iéal, amplifierait uniquement la ifférene e tenion entrée. Le terme A trauit on une imperfetion e l amplifiateur e ifférene réel par rapport au a parfait. Cette imperfetion et aratériée par une graneur exprimée en éibel et appelée Taux e Rejetion u Moe Commun (TRMC) ou ommon Moe Rejetion Ratio (CMRR). TRMC A R log log ( ( ) A r B Si on eut que CM oit proportionnelle à, il faut que le rapport (A /A ) oit plu gran que poible, 'etàire R >> r, on un générateur e ourant parfait. Si = on à CM = A >, CC et alor en phae ae où et appelée entrée non inereue et noté ( ). Si = on à CC = A <, CC et alor en oppoition e phae ae où et appelée entrée inereue et notée ( ). ) mpéane entrée.) mpéane entrée e moe ommun Cherhon le impéane préentée par l amplifiateur entre haque entrée et la mae. SET DE NABEUL (4) 6

6 i i ri βi Ri ( i ar i b [r R( ]i puique Z e i r R( i i b ri βi b b Ri ( i b ar i [r R( ]i b puique Z e Z e ib r R( On peut aluler Z e, i le entrée ont reliée entre eux et la mae = = (fig..6.). Z e i i b or i i b Z r R( e r R( βr ar β et R r i i b i i b Z e Z e Z e (a) (b) Figure.6 : mpéane e moe ommun ().) mpéane entrée ifférentielle Cherhon l impéane préentée par l amplifiateur entre e eux borne entrée et. i e = i = i b et = r (i i b ) = r i e Z e = i e = r i = i e i b = i e Z e Figure.7 : mpéane ifférentielle.4 DEFAUTS D UN AMPLFCATEUR OPERATONNEL L oberation un AO réel onuit à ifférente imperfetion qui e regroupent uiant eux atégorie : elle qui apparaient au repo (pa e ariation) ont e imperfetion tatique (DC eletrial harateriti) et elle qui apparaient pour e ignaux ariable ont e imperfetion ynamique (AC eletrial harateriti). SET DE NABEUL (4) 7

7 .4. Le imperfetion tatique (Défaut en ontinu) A l intérieur un iruit intégré linéaire il y a toujour une iymétrie inéitable. Le aratéritique e tranitor ne ont pa parfaitement ientique, le réitane ne ont jamai rigoureuement appariée. Ce iymétrie élément e trauient par une tenion e ortie non nulle même i le entrée ont à la mae : on it qu il y à éalage e l amplifiateur ifférentiel. Pour onerer le iée laire, on ne tient ompte que un eul éfaut à la foi..4.. Déalage en tenion En pratique, lorqu on relie le eux borne entrée à la mae ( = = ), il apparaît à la ortie une tenion ifférente e zéro. On herhe la tenion ifférentielle e qu on oit appliquer à l entrée et qui permet annuler ette tenion e ortie : et la tenion e éalage entrée ou tenion offet (offet input oltage). La tenion e éalage et éfinie omme la tenion qui erait appliquée ur l entrée non inereue un AO ne préentant pa e éfaut. AO réel AO réel V e e V e AO iéal V Figure.8 : Tenion e éalage A (e e ) A e : et la tenion e éalage à la ortie. e e e : et la tenion e éalage à l entrée ou tenion offet..4.. Déalage en ourant Si on relie le eux borne entrée un AO à la mae à traer eux réitane R et R, une tenion e ortie ontinue apparaît et une hute e tenion aux borne e réitane et ontatée. R R AO réel u e R R AO parfait u Figure.9 : Courant e éalage SET DE NABEUL (4) 8

8 .4... Courant e polariation (nput Bia Current) Le entrée exigent un ertain ourant pour être orretement polariée e qui fait que le ourant entrée ne ont pa nul. Si on note et e ourant, le ourant e polariation p exprime par : p.4... Courant e éalage (nput Offet Current) Le ourant et ne ont pa égaux ; le ourant e éalage orrepon à l éart maximum entre e eux ourant : =. = et p = ou A ε A (e R R ) p et p.4..3 Valeur typique 74 TL8 CA34 LMC635 p 8 na 3 pa pa, pa na 5 pa,5 pa, pa V mv 3 mv 8 mv,5 mv.4. Le imperfetion ynamique Le moèle életrique équialent un amplifiateur opérationnel en régime ariable et ientique à elui un amplifiateur ifférentiel. r e : réitane entrée ifférentielle. r e et r e : réitane entrée u moe ommun. r : réitane e ortie. A : amplifiation ifférentielle en tenion en boule ouerte (open loop oltage gain). r e r e r e A Figure. : Moèle équialent un AO r SET DE NABEUL (4) 9

9 .4.. Réitane entrée et e ortie.4... Réitane entrée On peut itinguer, la réitane entrée ifférentielle entre le eux entrée et le réitane entrée e moe ommun entre haune e entrée et la mae. Le réitane entrée e moe ommun ont beauoup plu importante que la réitane entrée ifférentielle et on peut ouent négliger leur effet Réitane e ortie Son orre e graneur et e. Cette aleur n'et pa nulle, mai, on erra que an le montage à réation négatie, la réitane u montage era toujour trè faible. Finalement, e éfaut n a que peu e onéquene, e qui importe plu, et que le ourant e ortie et limité à une aleur maximale (quelque ma)..4.. Amplifiation finie et taux e réjetion u moe ommun.4... Amplifiation L amplifiation et éfinie omme la pente e la aratéritique e tranfert = f () an la zone " linéaire ". En zone " linéaire ", n et pa raiment nul, autrement it, l amplifiation n et pa infinie ; a aleur n et même pa forément ontante. Cette amplifiation era notée A, elle orrepon à l amplifiation ifférentielle en trè bae fréquene (A = A ) Taux e réjetion u moe ommun " TRMC " La tenion e ortie un AO et fontion à la foi e la tenion ifférentielle entrée et e la tenion ommune entrée, elle peut exprimer par : = A ( ) A ( )/. Le terme e moe ommun (A. ) ontitue un éfaut. Pour meurer e éfaut on introuit la notion u taux e réjetion u moe ommun " TRMC " qui et le rapport e l amplifiation ifférentielle ur l amplifiation e moe ommun ; e rapport et ouent onné en éibel. k = TRMC B = A log A C L amplifiation ifférentielle et beauoup plu faible que l amplifiation e moe ommun. Dan le oument ontruteur, le taux e réjetion u moe ommun et noté " CMRR " oit "Common Moe Rejetion Ratio". SET DE NABEUL (4)

10 Valeur typique 74 TL8 CA34 LMC635 Amplifiation tatique en moe ifférentiel Taux e réjetion u moe ommun Réitane entrée en moe ifférentiel. A B TRMC 9 B 86 B 96 B r e M 6 M,5. 6 M > T Réitane entrée en moe ommun. r e M Réitane e ortie. r S Régime e petit ignaux " gain et bane paante " Courbe e gain La truture laique un amplifiateur opérationnel et ompoée e la mie en aae e troi étage, e qui orrepon à un filtre paeba u troiième orre et qui onne, par onéquent un éphaage maximum e 7. Un tel ytème peut eenir intable ae une ontreréation, en partiulier, un retour unitaire onnera un oillateur pour une aleur e fréquene telle que la phae oit e 8. Pour éiter e problème, la plupart e amplifiateur opérationnel ont ompené en fréquene ; et à ire qu un onenateur interne onne une répone globalement u premier orre, le ytème et on toujour table même ae une réation unitaire. Le gain ifférentiel, en réalité et un nombre omplexe e la forme un filtre paeba u premier orre, e gain tatique A et e fréquene e oupure f qui épenent e l amplifiateur opérationnel utilié, oit : A A j f f Pour le faible fréquene e la tenion entrée, A et un nombre réel poitif (A = A ), la ortie et en phae ae l entrée ifférentielle ( = A ). SET DE NABEUL (4)

11 Pour le fréquene éleée ou upérieure à f e la tenion entrée, A et un nombre omplexe. n et plu en phae ae, elle iminue lorque la fréquene roit. La bane paante a alor e à f. On obtient une ourbe e gain ayant l allure onnée par la figure. (la ourbe e phae en éuirait aiément) A (B) A B A B 3 B B/eae Bane paante B p = f f A f f (Hz) Figure. : Courbe e gain A (f) Fateur e mérite ou GainBanWith Prout On peut remarquer que le gain et nul pour une aleur e la fréquene f = A f, Cette aleur e la fréquene et appelée fréquene unité ou fateur e mérite ou prouit gainbane. Ce terme érie e l amériain, et oit e omprenre par " prouit e l amplifiation en bae fréquene par la fréquene e oupure bae " GBW = A f ont l orre e graneur pour e amplifiateur opérationnel ourant et quelque MHz Régime e gran ignaux " itee éolution e tenion ou lewrate " Origine A aue u onenateur e ompenation en fréquene, la tenion e ortie ne peut pa arier ae une itee infinie, en effet, on rappelle que la harge un onenateur peut érire i C. et omme le ourant i a une aleur maximale max, la itee e ariation e la tenion t aux borne u onenateur et par onéquent e la tenion e ortie et limitée à une aleur maximale Définition Le lewrate it aui itee maximale e balayage (ou lewingrate) et éfini omme la aleur maximale e la itee e ariation e la tenion e ortie. En effet la pente e la roite tangente SET DE NABEUL (4)

12 à l origine au ignal e ortie un montage à AO ne peut pa épaer le " lewrate " noté "" qui et une ontante exprimée en (V/) et qui aratérie la rapiité e l AO. SR σ t max t t σ Limitation e la bane paante Le lewrate limite la bane paante en préene e ignaux e grane amplitue. En effet, plaçon nou an le a u régime inuoïal où (t) = V M in (wt), la itee e ariation e ' peut érire : (t) w.vm. o wt, ont la aleur maximale atteinte au paage par zéro t e et : t max ' ( ) w.v M ; et la pente à l origine ou itee e ariation u ignal e ortie qui oit reter inférieure ou égale à la itee maximale poible, et à ire inférieure au lewrate pour que le ignal e ortie e reprouit an éformation, oit : w.v M σ ou σ f.v M. π > fv M = fv M = fv M V M V M V M T/ T t T/ T t T/ T t V M V M V M Figure. : Vitee limite e balayage (lewrate) On peut on oniérer que pour une amplitue maximale u ignal e ortie, la fréquene oit être limitée à V σ SM trè bae fréquene éolue en π, l amplitue maximale u ignal e ortie et limitée par la aturation, en σ πf pour le fréquene upérieure à Remarque : Certain amplifiateur opérationnel poèent e lewrate ifférent pour le front montant (SRP) et le front eenant (SRN). σ πv at. SET DE NABEUL (4) 3

13 Valeur typique " Prouit Gainbane " GBW MHz 3 MHz 74 TL8 CA34 LMC635 SlewRate SR,5 V/m 3 V/m,5 V/m.4.3 Moèle omplet un amplifiateur opérationnel réel : Compte tenu e ifférente imperfetion, le moèle omplet aini que la aratéritique e tranfert un AO réel ont onné par la figure uiante : at e e r e r e r e e A r M e M at Figure.3a : Moèle omplet un AO Figure.3b : Caratéritique e tranfert réelle.5 MODELE DEALSE D UN AMPLFCATEUR OPERATONNEL Une analye e aleur numérique e paramètre fonamentaux un amplifiateur opérationnel réel, permet e négliger ae une bonne approximation le ifférente imperfetion pour obtenir le moèle parfait un amplifiateur opérationnel aratérié par : (A, r e, r e,, Bp, TRMC ont infini) et (r, e,, p ont nul). On peut oniérer que l amplifiateur opérationnel iéal érifie le héma équialent aini que la aratéritique e tranfert e la figure.4. at e e e e at Figure.4a : Moèle iéalié un AO Figure.4b : Caratéritique e tranfert iéaliée SET DE NABEUL (4) 4

14 Caratéritique e tranfert = f( ) : ne épen que e l éart entre e et e et non e leur aleur propre. Pour un amplifiateur opérationnel tritement iéal, le tenion e aturation ont égale au tenion alimentation ; on a on V at = V CC et V at = V EE. En pratique, le tenion alimentation ne ont pa atteinte, on pourra aoir, par exemple, ae V CC = 5 V et V EE = 5 V ; V at = 3,5 V et V at = 3,5 V..6 REGMES DE FONCTONNEMENT D UN AMPLFCATEUR OPERATONNEL On onière la aratéritique e tranfert linéariée = f() un amplifiateur opérationnel réel pour at lequel le éfaut e éalage (e, et p ) ont été négligé. On itingue ur ette aratéritique eux zone ifférente onnant eux régime e fontionnement : régime linéaire et régime non linéaire ou e aturation. M M at Figure.5 : Caratéritique e tranfert linéariée Régime linéaire : pour M < < M, la tenion e ortie et proportionnelle à la tenion ifférentielle entrée : A ε et A ε at M Régime non linéaire ou e aturation : lorque la tenion n et pa an l interalle ε m ε M V at i < M., l AO et en régime e aturation. La ortie e troue alor à V at i > M ou à Comme la polariation e élément interne un AO n et ue qu à la oure e tenion ontinue VCC la ortie et néeairement omprie entre V CC < < V CC. Tenant ompte e hute e tenion interne, il y à un éhet V e quelque mv. La ortie et au plu égale à V CC V e qui orrepon à la tenion e aturation e l AO. V at V CC ΔV V CC ΔV V at Lorque l AO et utilié en boule ouerte (an ontre réation), le fontionnement linéaire et pratiquement impoible, u faite e la aleur trè éleée u gain en tenion A 4, une légère tenion ifférentielle fait tenre la ortie à V at ou à V at elon que > ou <. SET DE NABEUL (4) 5

15 Pour une utiliation plu rationnelle e l AO et ou peine e a etrution, il faut : alimenter le ompoant aant appliquer le ignaux entrée et le upprimer aant éteinre eluii. ne pa oumettre l AO à une tenion alimentation trop forte. ne pa appliquer une tenion ur la borne e ortie. éiter e épaer la puiane maximale autoriée. ne pa expoer le iruit à e forte température..7 LES DFFERENTES TECHNOLOGES On itingue le amplifiateur opérationnel u type : Bipolaire : ontitué uniquement e tranitor bipolaire (ex. 74, LM34 et ). BiFET : l étage entrée et ontitué e tranitor à effet e hamp JFET (ex. TL7, TL7, TL74 ). BiMOS : l étage entrée et ontitué e tranitor à effet e hamp MOS (ex. CA34). LinCMOS : ontitué e tranitor CMOS fontionnant en zone linéaire (ex. TLV43, LMC635 ). SET DE NABEUL (4) 6