L'amplificateur opération

 

L'amplificateur opérationnel

 

L'amplificateur opérationnel est un circuit intégré qui permet d'amplifier (de multiplier ou de diviser) une tension, de faire d'autres opérations mathématiques sur des tensions (addition, soustraction, dérivation, intégration).
Il peut comparer deux tensions et se placer, selon leur valeur relative, dans 2 états uniques et bien distincts (état haut ou état bas).
Il peut aussi adapter des résistances pour les besoins d'un circuit électrique.

I - Description:

Les 8 bornes de l'AO - Symbôle.

La borne 8 n'est pas connectée.
Les bornes 1 et 5 ne sont pas à connaître, elles servent à un réglage interne .
L'A.O. doit être polarisé grâce a un générateur de tension continu symétrique -15 V , + 15V ou ordinaire 0 V / 4,5 V par exemple. On utilise pour cela les bornes 4 et 7. C'est la première chose à brancher. La dernière chose à faire est de déconnecter ce générateur.
Ce générateur n'est pas représenté dans les schémas des montages électriques.
Il nous reste 3 bornes pour nos circuits .
- Une entrée inverseuse E^- (borne 2).
- Une entrée non inverseuse E⁺ (borne 3).
- Une borne S (n°6) appelée sortie.

Plaque de connexions et cavaliers.

II - Montage amplificateur non inverseur:

Amplificateur non inverseur.

U_s et U_e sont appelées tension de sortie et tension d'entrée.

Nous observons:

- Un domaine linéaire à pente positive où U_s et U_e sont proportionnelles.
- Un domaine de saturation où U_s cesse d'augmenter (diminuer dans la partie basse) même si U_e augmente (diminue dans la partie basse).

Dans le domaine linéaire, on définit le gain G de l'amplificateur opérationnel par:

G = U_s / U_e, sans unité, il est positif pour ce montage.

Le gain peut atteindre des valeurs comme 100 , 1000 , 10 000... Cela dépend des 2 résistances que l'on choisit.
On peut donc rendre perceptible une tension qui ne l'aurait pas été, sans pouvoir toutefois dépasser Vsat à la sortie de l'A.O..
Lorsqu'une seule amplification ne suffit pas, on peut mettre un 2^ème étage amplificateur etc... en envoyant la tension de sortie du 1^er amplificateur vers l'entrée non inverseuse du suivant . On peut ainsi disposer plusieurs A.O. en cascade.
L'"ampli-op" peut également amplifier des tensions variables , la tension de sortie aura la même forme variable que la tension d'entrée, mais son amplitude sera plus élevée . Cette tension de sortie est au maximum égale à Vsat et il se peut que son signal de sortie soit tronqué.

(Giancarli - Martin)

III - Montage amplificateur inverseur:

Amplificateur inverseur.

Nous observons:

- Un domaine linéaire à pente négative où U_s et U_e sont proportionnelles.
- Un domaine de saturation où U_s cesse de varier même si U_e varie.

Dans le domaine linéaire, on définit le gain G de l'amplificateur opérationnel par:

G = U_s / U_e, sans unité, il est négatif pour ce montage.

(Giancarli - Martin)

Remarquons que si R₂ = R₁ , alors U_s = - U_e, l'amplificateur opérationnel est alors un inverseur: la tension de sortie est opposée à la tension d'entrée.

IV - Montage suiveur:

Montage suiveur.

Dans le montage suiveur, le gain vaut G = 1..

V - Montage comparateur:

Montage comparateur. À l'entrée inverseuse on applique, par exemple, une tension U_E- = 2,1 V et à l'entrée non-inverseuse une tension réglable U_E+.

Montage comparateur.

Les 2 états de l'A.O.:

Les DEL brillent à tour de rôle - Explications.

Montage à 4 étages comparateurs:

Une pile plate de 4,5 V attaque un pont de tension constitué de 4 résistances identiques de valeur 10 kΩ. Chacune de ces 4 résistances a entre ses bornes une tension d'environ 1 V. On envoye sur les entrées inverseuses E- de chaque A.O. les tensions 1V, 2V, 3V et 4V (de bas en haut). Les entrées non inverseuses E+ sont toutes soumises à la même tension, fournie par le générateur réglable. Si U_E+ > U_E- , V_S = + 15 V et la DEL de sortie est passante et brille. Suivant que la tension du générateur réglable dépasse 1 V, 2 V, 3 V ou 4 V, on voit briller 1,2,3 ou 4 DEL.

VI - Montage additionneur:

Montage additionneur:
U₁ peut valoir 0 ou 1V (V₁ relié à EA0).
U₂ peut valoir 0 ou 2V (V₂ relié à EA1).
U₃ peut valoir 0 ou 3V (V₃ relié à EA2).
U_S peut prendre les valeurs 0 ; -1 ; -2 ; -3 ; -4 ; -5 ou -6 V (V_S relié à EA3) suivant les touches (1,2 et 3) sur lesquelles on appuie.
Ci-dessous, la réalisation sur platine d'essais:

Montage additionneur sur platine d'essais. La masse doit être reliée à la "REF" de l'interface .
Les bornes V₁, V₂, V₃ et V_s doivent être respectivement reliées à EA0, EA1, EA2 et EA3 (±15V) de l'interface.

Variante de ce montage à réaliser: Voir le diaporama qui l'accompagne.

Visualisation avec Visuel pour Orphy (E = 6 V):

VII - Synthèse: le diviseur de tension, l'AO comparateur, l'AO additionneur, l'AO inverseur:

Une calculatrice:

Simulation de "3 + 2 = 5" avec Crocodile Physics. Les sommes possibles sont 0; 1; 2; 3; 4; 5 et 6.

Animation:

Réalisation des étages comparateurs:

Réalisation de l'additionneur et de l'inverseur: