Les simulations de circuits sont excellentes car vous pouvez expérimenter avec des circuits et apporter des modifications presque sans effort. Dans Circuit VR, nous examinons les circuits à l’aide d’un simulateur pour faire des expériences sans avoir à chauffer un fer à souder ou à allumer une alimentation de banc. Cette fois, nous allons aborder un gros sujet: les amplis op.

L’ampli opérationnel – abréviation d’amplificateur opérationnel – est un amplificateur différentiel intégré. L’ampli op idéal – que nous ne pouvons pas obtenir – a un gain infini et une impédance d’entrée infinie. Bien que nous ne puissions pas obtenir cela dans la vraie vie, les appareils modernes sont assez bons pour que nous puissions prétendre que c’est vrai la plupart du temps.

Symbole schématique de l'ampli-op
un circuit d’ampli op très simple avec quelques détails omis

Si vous ouvrez ce circuit dans le simulateur Falstad, vous verrez deux curseurs vers la droite où vous pouvez modifier la tension d’entrée. Si vous faites les mêmes tensions, la sortie sera de zéro volt. Vous pourriez penser qu’un amplificateur de différence prendrait des entrées de 1,6 V et 2,4 V et produirait 0,8 V ou -0,8 V, mais ce n’est pas vrai. Essayez-le. En fonction de l’entrée que vous définissez sur 2,4 V, vous obtiendrez 15 V ou -15 V sur la sortie. C’est le gain infini. Toute tension de sortie positive ou négative «heurtera rapidement le rail» ou la tension d’alimentation qui, dans ce cas, est de +/- 15V.

Préoccupations pratiques

Le plus gros détail omis dans le symbole schématique ci-dessus est qu’il n’y a pas d’alimentation ici, mais vous pouvez deviner que c’est +/- 15V. Les amplis op ont généralement deux alimentations, une positive et une négative et bien qu’ils n’aient pas à être de la même ampleur, ils le sont souvent. Certains amplis op sont spécialement conçus pour fonctionner avec une alimentation asymétrique afin que leur alimentation négative puisse se connecter à la terre. Bien sûr, cela suppose que vous n’avez pas besoin d’une sortie de tension négative.

Le temps nécessaire à la sortie pour basculer est la vitesse de balayage et vous trouverez généralement ce nombre sur la fiche technique de l’appareil. Évidemment, pour les applications à grande vitesse, une vitesse de balayage rapide est importante, en particulier si vous souhaitez utiliser le circuit comme comparateur comme nous le sommes ici.

D’autres problèmes pratiques surviennent parce que l’ampli opérationnel n’est pas vraiment parfait. Un vrai ampli op n’atteindrait pas exactement le rail 15V. Il se rapprochera en fonction de la quantité de courant que vous tirez de la sortie. Plus le courant est élevé, plus vous vous éloignez des rails. Les amplis opérationnels auront également un décalage qui l’empêchera d’atteindre zéro lorsque les entrées sont égales, bien que sur les appareils modernes, cela puisse être très bas. Certains appareils plus anciens ou ceux utilisés dans des conceptions de haute précision auront une borne pour vous permettre de couper le point zéro exactement à l’aide d’une résistance externe.

Les amplificateurs opérationnels peuvent fournir une tension constante sous une charge variable

Plutôt que de fouiller dans beaucoup de mathématiques, vous pouvez gérer presque tous les circuits d’amplis opérationnels si vous vous souvenez de deux règles simples:

  1. Les entrées de l’ampli opérationnel ne se connectent à rien en interne.
  2. La sortie fera mystérieusement ce qu’elle peut pour rendre les entrées égales, dans la mesure où cela est physiquement possible.
Ampli opérationnel avec entrée inverseuse connectée à la sortie
1x amplificateur

Cette deuxième règle aura plus de sens dans une minute, mais nous la voyons déjà en action. Réglez le simulateur de sorte que l’entrée – (l’entrée inverseuse) soit à 0V et l’entrée non inverseuse (+) soit à 4V. La sortie doit être de 15V. La sortie essaie de faire correspondre l’entrée inverseuse à l’entrée non inverseuse, mais elle ne le peut pas car il n’y a pas de connexion. La sortie voudrait fournir une quantité infinie de tension, mais elle ne peut monter que sur le rail qui est de 15V.

Nous pouvons exploiter cela pour créer un assez bon amplificateur x1 en court-circuitant simplement la sortie vers la borne -. N’oubliez pas que nos règles disent que les bornes d’entrée semblent ne pas se connecter à quoi que ce soit, donc cela ne peut pas faire de mal. Maintenant, l’amplificateur émettra la tension que nous y avons mise:

Vous pourriez vous demander pourquoi cela serait intéressant. Eh bien, nous allons apprendre comment augmenter le gain, mais vous voyez en fait assez souvent ce circuit car l’impédance d’entrée est très élevée (infinie en théorie, mais pas en pratique). Et l’impédance de sortie est très faible, ce qui signifie que vous pouvez tirer plus de courant sans trop perturber la tension de sortie.

Diviseur de tension avec et sans amplificateur 1x
Comparaison des performances du diviseur de tension avec et sans amplificateur 1x

Ce circuit démontre la puissance d’un amplificateur 1x. Les deux diviseurs de tension produisent 2,5 V sans charge. Cependant, avec une charge de 100 ohms en sortie, le diviseur de tension ne peut fournir qu’environ 400 mV. Vous devrez tenir compte de la charge dans la conception du diviseur de tension et si la charge était variable, il ne serait pas possible de choisir une seule résistance qui fonctionne dans tous les cas. Cependant, le diviseur supérieur alimente l’entrée haute impédance de l’ampli opérationnel qui fournit alors un 2,5 V «rigide» quelle que soit la charge que vous fournissez. À titre d’exemple, essayez de changer les résistances de charge de 100 ohms à des valeurs différentes. La tension de charge inférieure oscillera énormément, mais celle du haut restera à 2,5 V.

N’oubliez pas qu’il existe des limites pratiques qui ne résistent pas dans la vraie vie. Par exemple, vous pouvez régler la résistance de charge sur 0,1 ohms. Le simulateur montrera consciencieusement l’ampli opérationnel fournissant 25 A de courant à travers la charge. Votre ampli op de jardin ne sera pas en mesure de le faire, et vous n’aurez probablement pas l’alimentation pour le supporter si c’était le cas.

Qu’est-ce qui est amplifié?

C’est un amplificateur même si la tension est restée la même. Vous amplifiez le courant et, par conséquent, la puissance. Débranchez le diviseur de tension inférieur (supprimez simplement le long fil) et vous verrez que l’alimentation 5V fournit 12,5 mW de puissance. La puissance de sortie est de 62,5 mW et, bien entendu, varie avec la résistance de charge.

Remarquez cependant comment ce circuit correspond à la deuxième règle. Lorsque l’entrée change, l’ampli opérationnel rend sa sortie égale car c’est ce qui fait que les bornes + et – restent à la même tension.

Bien sûr, nous voulons généralement une tension plus élevée lorsque nous amplifions. Nous pouvons le faire en construisant un diviseur de tension dans la boucle de rétroaction. Si nous mettons un diviseur de tension 1: 2 dans la boucle, la sortie devra doubler pour correspondre à l’entrée et, tant que cela est physiquement possible, c’est ce que cela fera. Évidemment, si vous mettez du 12V, il ne pourra pas produire du 24V sur une alimentation de 15V, alors soyez raisonnable.

Circuit opamp non inverseur
Exemple d’amplificateur non inverseur

Ce type de configuration est appelé un amplificateur non inverseur car, contrairement à un amplificateur inverseur, une augmentation de la tension d’entrée provoque une augmentation de la tension de sortie et une diminution de l’entrée fait suivre la sortie.

Notez que le diviseur de tension de retour n’est pas dessiné comme un diviseur, mais que ce n’est que des symboles en mouvement sur papier. Il s’agit toujours d’un diviseur de tension comme dans l’exemple précédent. Pouvez-vous comprendre le gain de tension de la scène? Le rapport du diviseur de tension est de 1: 3 et, bien sûr, une crête de 5 V sur l’entrée se transforme en une crête de 15 V sur la sortie, donc le gain est de 3. Essayez de changer le diviseur en différents rapports.

Et après?

Bien que ce ne soit pas mathématiquement rigoureux, penser l’ampli opérationnel comme une machine qui rend ses entrées égales est étonnamment efficace. Cela a certainement rendu simple l’analyse de ces circuits simples, du comparateur, de l’amplificateur tampon et d’un amplificateur général non inverseur.

Il existe, bien sûr, de nombreux autres types d’amplificateurs, ainsi que d’autres raisons d’utiliser des amplificateurs opérationnels tels que des oscillateurs, des filtres et d’autres circuits encore plus exotiques. Nous parlerons de certains d’entre eux la prochaine fois et de l’idée d’un terrain virtuel, qui est une autre règle d’analyse utile.

LAISSER UN COMMENTAIRE

Rédigez votre commentaire !
Entrez votre nom ici