Des AOP - Partie 1 : l'AOP idéal

Non on ne parle pas d'Appellations d'Origine Protégée...

Bienvenue dans cette nouvelle série d'articles ! Vous avez peut-être déjà lu les cours sur les transistors. Si vous n'avez pas tout compris, pas de soucis ! Les amplificateurs opérationnels n'ont pas grand chose à voir avec les transistors et fonctionnent complètement différemment. En fait, les AOPs sont fait à partir des circuits à transistors vus précédemment.

Les amplificateurs opérationnels, aussi appelés ampli op ou AOP, sont des amplificateurs différentiels de tension à gain élevé. Cela signifie qu'ils amplifient la différence de tension entre leurs deux entrées. L'une est l'entrée non-inverseuse, l'autre est l'entrée inverseuse. Le symbôle d'un ampli op représente les différentes connexions disponibles.

Dans les schémas la plupart du temps les alimentations +Vcc et -Vcc ne sont pas représentées. Cependant, gardez en tête que la sortie de l'AOP ne peut pas aller plus haut que la tension d'alimentation positive, et ne peut pas aller plus bas que la tension d'alimentation négative. En fait, beaucoup d'AOP ne peuvent même pas s'en approcher, et les seuls qui sont capables de les atteindre sont appelés "rail-to-rail".

Quand je parle de circuit à fort gain, je ne parle pas du même type de gain que sur un amplificateur de guitare. Ce que je veux dire, c'est que le gain en tension des AOPs varie aisément de 100dB à 120dB. Oui, cela veut dire qu'un signal de 1uV est amplifié jusqu'à 1V, et qu'un signal de 1V devrait atteindre 1kV. 10 fois plus élevé que la tension RMS qu'on trouve dans les prises électriques ! En pratique l'AOP va saturer, et sa sortie restera autour de la tension d'alimentation positive ou négative. Si le potentiel à l'entrée inverseuse est plus grand qu'à l'entrée non-inverseuse, ce sera la tension d'alim négative. Si le potentiel à l'entrée inverseuse est plus faible qu'à l'entrée non-inverseuse, ce sera la tension d'alim positive. Ce comportement est bien entendu non-linéaire, un peu comme un comparateur électronique. Cependant, les AOPs sont vraiment prévus pour une utilisation linéaire : amplification, filtre...

Il y a trois règles à garder en tête constamment lorsqu'on trouve un AOP dans un schéma. Ces règles ne s'appliquent qu'à un AOP idéal mais sont parfaites pour comprendre les circuits :
- Si l'AOP est en régime linéaire, la tension entre ses deux entrées est nulle. Elles sont au même potentiel électrique, V1 = V2. En fonction du circuit, la sortie de l'AOP évoluera pour faire en sorte que cette condition reste vraie.
- Si la sortie ne peut pas faire en sorte que V1 = V2, l'AOP sature et sa sortie est égale à l'une de ses tensions d'alimentation.
- Dans tous les cas, aucun courant ne traverse les entrées de l'AOP.

Examinons les cas linéaires et non-linéaires avec un petit circuit : un AOP et deux résistances ! A première vue ces circuits semblent similaires et on peut se dire qu'ils sont identiques, mais regardez bien les entrées des AOPs. A gauche, l'entrée est envoyée dans l'entrée non-inverseuse et la sortie est bouclée sur l'entrée inverseuse par un pont diviseur de tension. A droite, l'entrée est envoyée dans l'entrée inverseuse et les résistances bouclent sur l'entrée non-inverseuse ! Des configurations proches mais au fonctionnement très différent !

Tout d'abord, traitons le circuit de gauche. La tension d'entrée Vin est appliquée entre la masse et l'entrée non-inverseuse. Comme le potentiel y est alors plus élevé que sur l'entrée non-inverseuse, la sortie de l'AOP va augmenter jusqu'à avoir une tension nulle entre les deux entrées. Pour cela, il faut avoir un courant I = Vin/R2 au travers de la résistance R2. Ce courant doit nécessairement venir de la sortie de l'AOP pusiqu'il ne peut pas passer par l'entrée de l'AOP. On doit donc avoir un courant I = Vout/(R1+R2) au travers des deux résistances. On peut alors calculer le gain en tension Vout/Vin en quotientant les deux équations et en résolvant. On obtient alors Vout/Vin = (R1+R2)/R2 = 1+R1/R2. On trouve un gain constant, l'AOP est un amplificateur de tension linéaire ! Ce bloc fonctionnel est au coeur de la pédale MXR Microamp.

Cependant, le circuit à droite n'est absolument pas un amplificateur, et est plus connu sous le nom de bascule de Schmitt. Ce circuit est une bacsule qui détecte lorsqu'une tension dépasse ou passe en-dessous d'un certain seuil. Beaucoup de variantes existent mais celle-là est sans doute la plus simple. Techniquement, on devrait utiliser un comparateur à la place de l'AOP mais pour des signaux lents (sous les 100kHz), un AOP devrait fonctionner correctement aussi. Appliquons une tension Vin à l'entrée inverseuse. Le potentiel est donc plus grand à l'entrée inverseuse qu'à l'entrée non-inverseuse, donc la tension de sortie diminue en espérant retrouve l'équilibre des tensions d'entrée. Or, cela ne fait qu'accroitre l'écart des tensions, jusqu'à ce que la sortie reste proche de l'alim négative V- et sature. Pour inverser la tendance, il faut que la tension d'entrée devienne plus faible que la tension à l'entrée non-inverseuse, qui est désormais non nulle ! Il faut donc Vin < [R4/(R3+R4)]*V-. Dans ce cas-là, l'effet opposé apparait, la tension de sortie augmente jusqu'à saturer et atteindre l'alim positive, avec un nouveau seuil pour Vin > [R4/(R3+R4)]*V+. On a une bascule inverseuse qui se déclenche lorsque la tension d'entrée atteint certains seuils, ce qui est grosso-modo la définition d'une bascule de Schmitt : une bascule logique avec hystérésis. C'est donc un circuit non-linéaire qui pourrait sonner pas mal dans une pédale de guitare bien conçue !

Prenez votre temps pour lire cette série d'article ou sautez directement à un projet pour quelques réalisations pratiques ! A la prochaine !