Une image de l'ampli Op

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Une image de l'ampli Op

L'amplificateur opérationnel est la pièce fondamentale d'un très grand nombre de systèmes électroniques. Il est utilisé dans de petits montages autant que dans des appareils de haute technologie. Ce texte propose une façon d'appréhender son fonctionnement.

L'ampli op le plus connu est le LM741. Vous pouvez entrer dans un magasin d'électronique, et en acheter un pour 15 FB. Voici à quoi il ressemble, agrandi trois fois. Chacune des huit pattes est un petit fil électrique :

Voici comment il est représenté dans les schémas électroniques :

Et voici comment il est représenté dans les manuels des constructeurs :

La patte marquée NC ne sert à rien : NC veut dire "Non Connecté". Les pattes marquées "OFFSET NULL" sont parfois utiles pour des réglages précis.

Voici maintenant une "image" de comment fonctionne l'ampli op. Nous allons considérer que l'ampli op contient quatre choses : deux voltmètres, une alimentation électrique réglable, et un bonhomme.

Quatre remarques accessoires au sujet de ces quatre objets :

Pour que l'alimentation réglable puisse débiter du courant, il faut bien entendu que l'ampli op ait été raccordé à une source de courant. Vous pouvez par exemple raccorder V+ au pôle positif d'une pile de 9 V, et V- au pôle négatif (0 V).
L'alimentation est peu puissante. Elle ne fournira pas de grandes puissances électriques. Tout au plus quelques dizaines de milliampères. A moins que vous n'utilisiez un ampli op de puissance, bien entendu.
Quand "le réglage" de l'alimentation est au maximum, elle va sortir presque V+ (9 V). Au minimum, presque V- (0 V). Entre les deux, n'importe quelle tension (1.3 V, 2 V, 4.73 V, 6.89 V...). Le réglage de l'alimentation peut aller du minimum au maximum en un millionième de seconde.
Les deux voltmètres portent les noms "+" et "-". Ils ne sont pas rigoureusement tout à fait identiques, et on ne doit pas essayer leur faire mesurer des tensions supérieures à V+, ou inférieures à V- : ils fonctionneraient mal, ou pourraient même brûler.

Que fait le bonhomme ? Il regarde en permanence les deux voltmètres, et fait ceci :

Si le voltmètre "-" mesure une tension plus grande que le voltmètre "+", alors le bonhomme diminue la tension que fournit l'alimentation.
Si le voltmètre "-" mesure une tension plus petite que le voltmètre "+", alors le bonhomme augmente la tension que fournit l'alimentation.
Si les voltmètres marquent la même chose, le bonhomme ne touche plus au réglage.

Un exemple pratique : le suiveur de tension. On raccorde tout simplement la sortie de l'ampli op à son entrée "-" :

Pour comprendre le fonctionnement du suiveur de tension, posez-vous les trois questions suivantes :

Si au moment où on allume le circuit, la sortie sort 4.5 V, et U1 vaut 2 V, comment va réagir l'ampli op ?

Réponse : l'ampli op aura 4.5 V à son entrée "-", et 2 V à son entrée "+". Comme 4.5 est plus grand que 2, il va baisser rapidement la tension de sortie. Au moment où la tension de sortie passe par 2 V, il y aura 2 V à l'entrée "-". Ayant la même chose aux deux entrées, l'ampli op ne touche plus à rien, et garde 2 V à sa sortie. U2 = U1.
Si tout d'un coup le signal U1 passe de 2 V à 2.001 V, comment va réagir l'ampli op ?

Réponse : l'ampli op aura 2 V à son entrée "-", et 2.001 V à son entrée "+". Comme 2 est plus petit que 2.001, il va augmenter rapidement la tension de sortie. Au moment où la tension de sortie passe par 2.001 V, il y aura 2.001 V à l'entrée "-". Ayant la même chose aux deux entrées, l'ampli op ne touche plus à rien, et garde 2.001 V à sa sortie. U2 = U1.
Imaginons qu'on connecte la sortie de l'ampli op à un appareil imprévisible et gros consommateur de courant. Tout d'un coup il consomme plus, et fait chuter la tension de sortie de l'ampli op de 2.001 V à 1.997 V. Comment va réagir l'ampli op ?

Réponse : l'ampli op aura 1.997 V à son entrée "-", et 2.000 V à son entrée "+". Comme 1.997 est plus petit que 2.001, il va augmenter rapidement la tension de sortie. Au moment où la tension de sortie passe par 2.001 V, il y aura 2.001 V à l'entrée "-". Ayant la même chose aux deux entrées, l'ampli op ne touche plus à rien, et garde 2.001 V à sa sortie. U2 = U1.

L'ampli suiveur est un circuit très utile : le signal U1 peut provenir d'un appareil très sensible et délicat, l'entrée "+" de l'ampli op ne lui fera subir aucune charge. La sortie, par contre, peut être connectée à n'importe quoi, l'ampli op se battra comme un cow-boy en plein rodéo pour garantir qu'U2 sera une copie conforme de U1. Au millionième de seconde.

Si vous avez bien en tête ce mode de fonctionnement imagé de l'ampli op, vous pourrez appréhender ou concevoir vous-même 95% des circuits électroniques qui l'utilisent. Pour les 5% restants, ainsi que pour les cours dans l'enseignement supérieur, vous devrez plutôt vous baser sur l'idée que l'ampli op est une machine servant à rendre vraie la formule suivante :

Voici enfin quelque schémas de principe d'applications de l'ampli op. Vous pouvez choisir vous-même les valeurs des résistances (ou potentiomètres). En général, on utilise des valeurs entre 1 k

et 100 k

.

Consultez les catalogues des constructeurs pour trouver des amplis op ayant les caractéristiques ou qualités dont vous avez besoin : puissance, rapidité, précision, faible consommation... Vous devrez aussi apprendre, parfois, à placer des condensateurs "amortisseurs" pour que l'ampli op fasse son travail sans dérailler. Vous devrez parfois aussi tenir compte des limites de chaque ampli op : vitesse maximale, amplification maximale, bruit de fond, tensions maximales ou minimales, particularités techniques... Un ampli op bon marché peut être d'emploi plus sûr qu'un cher, parce qu'il est plus "pépère".

Je vous recommande chaudement le LM386. Attention : il est très particulier au niveau de ses entrées et de sa sortie. Lisez attentivement ses caractéristiques dans un catalogues avant de l'utiliser.

Les schémas ci-dessous sont relativement "académiques". En pratique, n'hésitez pas à faire les montages les plus abracadabrants. Alimentez un ampli op avec la sortie d'un autre. Utilisez une pile séparée pour chaque ampli op. Court-circuitez les sorties. En bref, donnez vous en à coeur joie et simplifiez vous la vie. C'est ainsi que vous apprendrez à comprendre et à suivre les nombreuses précautions à prendre pour la réalisation de montages fiables.