4 Applications linéaires des ampli
cateurs
opérationnels
4.1 Préliminaire
L'ampli
cateur opérationnel (AO) est un composant de base extrêmement important. Il
est utilisé dans de très nombreux circuits d'électronique analogique où il permet de réaliser
de façon simple des fonctions linéaires et non-linéaires variées et performantes.
L'ampli
cateur opérationnel est réalisé à l'aide de quelques dizaines de transistors et des
éléments passifs reliés ensemble dans une con
guration assez complexe. Un schéma d'un
AO de la première génération (1965) est présenté à la
gure 4.1a. Sa structure est déjà
proche de celle des AO modernes. De manière classique, le circuit d'entrée est constitué
par une paire diérentielle de transistors. Un deuxième étage d'ampli
cation diérentielle
permet d'obtenir un gain total d'environ 7'000. L'adaptateur de niveau Q6 sert à ramener
la tension de collecteur de Q5 (quelques volts) vers 0 volt qui est le point de fonctionnement
de l'étage de sortie. Celui-ci est réalisé avec un circuit push-pull. Une photographie de sa
réalisation intégrée est montrée dans la
gure 4.1b.
La recherche de l'amélioration des performances et une plus grande maîtrise de la tech-
nologie du silicium et de l'intégration ont conduit à des circuits bien plus complexes. À
titre illustratif, le schéma du LF411 (1989) commenté par Paul Horowitz, The Art of
Electronics, est présenté dans la
gure 4.2.
Dans ce chapitre, on ne s'intéresse pas au contenu ou à la con
guration interne de l'am-
pli
cateur opérationnel. Il y sera traité comme une boîte noire dont on connaît les carac-
téristiques entrée-sortie et que l'on utilise pour réaliser diérentes fonctions électroniques.
Cette approche se justi
e par le fait que l'utilisateur de l'ampli
cateur opérationnel n'a
pas, en général, à se soucier de la conception interne de celui-ci, puisqu'il peut l'acquérir
directement sous forme de circuit intégré, c'est-à-dire réalisé entièrement sur un monocristal
de silicium de quelques millimètres de côté et encapsulé dans un boîtier.
Les performances des ampli
cateurs opérationnels modernes sont à ce point proches de
l'ampli
cateur opérationnel idéal qu'on étudiera les diérentes applications directement
sur la base de ses caractéristiques idéales. Les imperfections qui distinguent l'ampli
cateur
réel de l'ampli
xcateur idéal seront analysées en
n de chapitre.
4.2 Description de l'ampli
cateur opérationnel
Du point de vue des signaux utiles, l'ampli
cateur opérationnel possède trois connexions
externes : deux entrées et une sortie. Hormis ces connexions, l'ampli
cateur opérationnel
possède aussi deux bornes pour les tensions d'alimentation nécessaires à la polarisation des
transistors située à peu près au centre de leur domaine de fonctionnement linéaire.
107
,4 Applications linéaires des ampli
cateurs opérationnels
+VCC
Charges Adaptateur
actives de niveau
Q6
Q8
Double
amplificateur Amplificateur
différentiel de sortie
Q4 Q5 (push-pull)
Q1 Q2
Q9
Q3 Q7
Sources de courant
(polarisation)
-VCC
15 mm
Q Q
Alu
R R
Q Q
R R
Q Q
Alu Alu
Fig. 4.1: Schéma et réalisation intégrée d'un ampli
cateur opérationnel élémentaire (1965)
108 c 2007
, 4.2 Description de l'ampli
cateur opérationnel
Fig. 4.2: Schéma de l'ampli
cateur opérationnel LF411 (1989) [Horowitz]
c 2007 109
, 4 Applications linéaires des ampli
cateurs opérationnels
V+
Uin 3
7
6
U+
Uout
U- 2
4
V-
Fig. 4.3: Symbole, tensions et connexions d'un ampli
cateur opérationnel
Généralement, ces deux tensions d'alimentation, V+ et V− sont symétriques par rapport
à la masse. Pour la plupart des applications, on utilise les valeurs normalisées de ±12 V
et ±15 V. C'est le point commun entre ces deux tensions d'alimentation qui
xe la masse,
prise comme potentiel de référence.
L'ampli
cateur opérationnel ampli
e la diérence de potentiel entre ses deux entrées. Il
ampli
e aussi bien les signaux continus (DC) que alternatifs (AC). Le potentiel de sortie
est limité par les tensions de saturation positive et négative qui sont, en valeur absolue,
légèrement inférieures aux tensions d'alimentation.
Les deux courants d'entrées de l'ampli
cateur opérationnel sont très faibles, voire négli-
geables pour la plupart des applications. Leur ordre de grandeur est de quelques nA à
quelques pA. La sortie de l'AO est protégée contre les courts-circuits et son courant ne
dépasse pas quelques mA.
Il y a une limite aux fréquences des signaux alternatifs que l'ampli
cateur opérationnel est
capable d'ampli
er. Cette limite dépend notamment de sa con
guration interne ainsi que
des éléments externes qui lui sont associés. L'ordre de grandeur des fréquences maximums
usuelles est de quelques centaines de kHz.
4.2.1 Modèle d'un ampli
cateur opérationnel
Le modèle d'un AO est celui d'un ampli
cateur caractérisé par ses résistances d'entrée et
de sortie ainsi que son gain en tension (
gure 4.4). Idéalement, ses paramètres valent
Rin → ∞ A0 → ∞ Rout → 0
En réalité, un ampli
cateur opérationnel à tout faire tel que le LF 411 ou le LF 356 est
caractérisé par
Rin ' 1012 [Ω] (entrée FET)
Rout ' 50 [Ω] (sortie push-pull)
A0 ' 1000 000 [V/V]
ainsi que par ses tensions d'alimentation et de saturation et le courant de sortie maximum
VCC = ±12 [V] ou ± 15 [V]
|Usat | ' |VCC | − 1 [V]
|Iout |max ' 10 [mA]
110 c 2007
cateurs
opérationnels
4.1 Préliminaire
L'ampli
cateur opérationnel (AO) est un composant de base extrêmement important. Il
est utilisé dans de très nombreux circuits d'électronique analogique où il permet de réaliser
de façon simple des fonctions linéaires et non-linéaires variées et performantes.
L'ampli
cateur opérationnel est réalisé à l'aide de quelques dizaines de transistors et des
éléments passifs reliés ensemble dans une con
guration assez complexe. Un schéma d'un
AO de la première génération (1965) est présenté à la
gure 4.1a. Sa structure est déjà
proche de celle des AO modernes. De manière classique, le circuit d'entrée est constitué
par une paire diérentielle de transistors. Un deuxième étage d'ampli
cation diérentielle
permet d'obtenir un gain total d'environ 7'000. L'adaptateur de niveau Q6 sert à ramener
la tension de collecteur de Q5 (quelques volts) vers 0 volt qui est le point de fonctionnement
de l'étage de sortie. Celui-ci est réalisé avec un circuit push-pull. Une photographie de sa
réalisation intégrée est montrée dans la
gure 4.1b.
La recherche de l'amélioration des performances et une plus grande maîtrise de la tech-
nologie du silicium et de l'intégration ont conduit à des circuits bien plus complexes. À
titre illustratif, le schéma du LF411 (1989) commenté par Paul Horowitz, The Art of
Electronics, est présenté dans la
gure 4.2.
Dans ce chapitre, on ne s'intéresse pas au contenu ou à la con
guration interne de l'am-
pli
cateur opérationnel. Il y sera traité comme une boîte noire dont on connaît les carac-
téristiques entrée-sortie et que l'on utilise pour réaliser diérentes fonctions électroniques.
Cette approche se justi
e par le fait que l'utilisateur de l'ampli
cateur opérationnel n'a
pas, en général, à se soucier de la conception interne de celui-ci, puisqu'il peut l'acquérir
directement sous forme de circuit intégré, c'est-à-dire réalisé entièrement sur un monocristal
de silicium de quelques millimètres de côté et encapsulé dans un boîtier.
Les performances des ampli
cateurs opérationnels modernes sont à ce point proches de
l'ampli
cateur opérationnel idéal qu'on étudiera les diérentes applications directement
sur la base de ses caractéristiques idéales. Les imperfections qui distinguent l'ampli
cateur
réel de l'ampli
xcateur idéal seront analysées en
n de chapitre.
4.2 Description de l'ampli
cateur opérationnel
Du point de vue des signaux utiles, l'ampli
cateur opérationnel possède trois connexions
externes : deux entrées et une sortie. Hormis ces connexions, l'ampli
cateur opérationnel
possède aussi deux bornes pour les tensions d'alimentation nécessaires à la polarisation des
transistors située à peu près au centre de leur domaine de fonctionnement linéaire.
107
,4 Applications linéaires des ampli
cateurs opérationnels
+VCC
Charges Adaptateur
actives de niveau
Q6
Q8
Double
amplificateur Amplificateur
différentiel de sortie
Q4 Q5 (push-pull)
Q1 Q2
Q9
Q3 Q7
Sources de courant
(polarisation)
-VCC
15 mm
Q Q
Alu
R R
Q Q
R R
Q Q
Alu Alu
Fig. 4.1: Schéma et réalisation intégrée d'un ampli
cateur opérationnel élémentaire (1965)
108 c 2007
, 4.2 Description de l'ampli
cateur opérationnel
Fig. 4.2: Schéma de l'ampli
cateur opérationnel LF411 (1989) [Horowitz]
c 2007 109
, 4 Applications linéaires des ampli
cateurs opérationnels
V+
Uin 3
7
6
U+
Uout
U- 2
4
V-
Fig. 4.3: Symbole, tensions et connexions d'un ampli
cateur opérationnel
Généralement, ces deux tensions d'alimentation, V+ et V− sont symétriques par rapport
à la masse. Pour la plupart des applications, on utilise les valeurs normalisées de ±12 V
et ±15 V. C'est le point commun entre ces deux tensions d'alimentation qui
xe la masse,
prise comme potentiel de référence.
L'ampli
cateur opérationnel ampli
e la diérence de potentiel entre ses deux entrées. Il
ampli
e aussi bien les signaux continus (DC) que alternatifs (AC). Le potentiel de sortie
est limité par les tensions de saturation positive et négative qui sont, en valeur absolue,
légèrement inférieures aux tensions d'alimentation.
Les deux courants d'entrées de l'ampli
cateur opérationnel sont très faibles, voire négli-
geables pour la plupart des applications. Leur ordre de grandeur est de quelques nA à
quelques pA. La sortie de l'AO est protégée contre les courts-circuits et son courant ne
dépasse pas quelques mA.
Il y a une limite aux fréquences des signaux alternatifs que l'ampli
cateur opérationnel est
capable d'ampli
er. Cette limite dépend notamment de sa con
guration interne ainsi que
des éléments externes qui lui sont associés. L'ordre de grandeur des fréquences maximums
usuelles est de quelques centaines de kHz.
4.2.1 Modèle d'un ampli
cateur opérationnel
Le modèle d'un AO est celui d'un ampli
cateur caractérisé par ses résistances d'entrée et
de sortie ainsi que son gain en tension (
gure 4.4). Idéalement, ses paramètres valent
Rin → ∞ A0 → ∞ Rout → 0
En réalité, un ampli
cateur opérationnel à tout faire tel que le LF 411 ou le LF 356 est
caractérisé par
Rin ' 1012 [Ω] (entrée FET)
Rout ' 50 [Ω] (sortie push-pull)
A0 ' 1000 000 [V/V]
ainsi que par ses tensions d'alimentation et de saturation et le courant de sortie maximum
VCC = ±12 [V] ou ± 15 [V]
|Usat | ' |VCC | − 1 [V]
|Iout |max ' 10 [mA]
110 c 2007
