L'essentiel à connaître
L'Amplificateur Opérationnel (souvent abrégé AOP ou AO) est un composant électronique intégré conçu à l'origine pour effectuer des opérations mathématiques (addition, soustraction, intégration) sur des signaux analogiques. Il possède deux entrées : une entrée non-inverseuse notée (+) et une entrée inverseuse notée (-), ainsi qu'une sortie. Pour fonctionner, il nécessite une alimentation symétrique (souvent +15V / -15V). La caractéristique majeure d'un AOP idéal est d'avoir un gain en tension quasi infini en boucle ouverte, ce qui signifie qu'une infime différence de tension entre ses entrées suffit à saturer la sortie.
Dans la pratique, on utilise presque toujours l'AOP avec une contre-réaction (ou rétroaction négative), c'est-à-dire en reliant la sortie à l'entrée inverseuse via des résistances. Cela permet de stabiliser le gain et de travailler en régime linéaire. Deux montages dominent : le montage inverseur, où le signal entre par la borne (-) et ressort amplifié mais déphasé de 180°, et le montage non-inverseur, où le signal entre par la borne (+) et ressort amplifié sans inversion de phase. Un troisième cas, le suiveur, permet de recopier une tension tout en isolant les circuits grâce à son impédance d'entrée très élevée.
Définition : Le régime linéaire est un mode de fonctionnement où la tension de sortie est proportionnelle à la différence de tension d'entrée. Il est possible si et seulement si il existe une boucle de rétroaction sur l'entrée négative.
À retenir : Pour un AOP idéal en régime linéaire, on considère deux hypothèses simplificatrices : les courants d'entrée sont nuls ($i^+ = i^- = 0$) et la tension différentielle d'entrée est nulle ($\epsilon = v^+ - v^- = 0$).
Les points clés
Calculer le gain d'un montage est l'exercice type. Pour le montage inverseur, le gain vaut $Av = -R2 / R1$. Le signe moins indique l'inversion de phase. Pour le montage non-inverseur, le gain est $Av = 1 + (R2 / R1)$, ce qui signifie qu'il est toujours supérieur ou égal à 1. Il est crucial de ne pas mélanger ces deux formules lors des contrôles. Un autre point souvent négligé est la saturation : la tension de sortie ne peut jamais dépasser les tensions d'alimentation. Si ton calcul théorique donne 20V alors que l'AOP est alimenté en 15V, la sortie réelle sera "écrêtée" à environ 14V-15V.
L'impédance est également un facteur clé. Un AOP possèd'une impédance d'entrée très élevée (il ne consomme presque aucun courant sur ses sources) et une impédance de sortie très faible (il peut fournir du courant sans que sa tension ne chute). C'est pourquoi le montage "suiveur" est si utile : il sert de tampon (buffer) pour adapter les impédances entre deux étages d'un circuit sans atténuer le signal. Enfin, garde en tête qu'en boucle ouverte (sans retour sur l'entrée négative), l'AOP agit comme un comparateur : il bascule brutalement entre ses tensions de saturation positive et négative.
Formule : Gain du montage inverseur : $V_s = - (R_2 / R_1) \cdot V_e$. Gain du montage non-inverseur : $V_s = (1 + R_2 / R_1) \cdot V_e$.
Piège classique : Si le signal est renvoyé sur l'entrée positive (+), l'AOP sature presque instantanément. C'est une réaction positive (utilisée pour les oscillateurs), pas un amplificateur linéaire !
Quiz : Teste tes connaissances
Question 1 : Combien d'entrées principales possèd'un amplificateur opérationnel classique ?
Réponse : B. Il possède deux entrées : l'entrée inverseuse (-) et l'entrée non-inverseuse (+). On ne compte pas ici les broches d'alimentation ou de réglage d'offset.
Question 2 : Quelle est la valeur idéale du courant entrant dans les bornes (+) et (-) ?
Réponse : A. On considère que l'impédance d'entrée est infinie, donc aucun courant ne rentre dans l'AOP. C'est une hypothèse fondamentale pour appliquer la loi des nœuds (Millman) aux montages.
Question 3 : Dans un montage suiveur, quelle est la valeur du gain en tension ?
Réponse : C. Dans un suiveur, la sortie recopie exactement l'entrée ($V_s = V_e$). Le gain est donc de 1. Il sert principalement d'adaptateur d'impédance.
Question 4 : Que se passe-t-il si la sortie est reliée directement à l'entrée (-) ?
Réponse : D. Relier la sortie à l'entrée inverseuse crée une contre-réaction négative, ce qui stabilise l'amplificateur et lui permet de fonctionner en mode linéaire.
Question 5 : Dans un montage inverseur avec $R1 = 1k\Omega$ et $R2 = 10k\Omega$, quel est le gain ?
Réponse : B. La formule est $Av = -R2 / R1$. Ici, $-10 / 1 = -10$. Le signe moins est crucial car il indique l'inversion du signal d'entrée.
Question 6 : Quel montage choisir pour amplifier un signal sans changer son signe ?
Réponse : C. Le montage non-inverseur a un gain positif ($1 + R2/R1$), donc la sortie est en phase avec l'entrée.
Question 7 : Si un AOP est alimenté en +/- 12V, quelle est la tension de sortie maximale possible ?
Réponse : A. La sortie d'un AOP est limitée par ses tensions d'alimentation. On appelle cela la tension de saturation ($V_{sat}$).
Question 8 : Qu'est-ce que la tension différentielle $\epsilon$ en régime linéaire ?
Réponse : D. En régime linéaire, on considère que l'AOP "s'arrange" pour que la différence entre ses deux entrées soit quasi nulle ($\epsilon = 0$).
Question 9 : Comment appelle-t-on l'utilisation d'un AOP sans rétroaction ?
Réponse : B. En boucle ouverte, le gain est si élevé que la moindre variation fait basculer la sortie en saturation. On l'utilise alors comme comparateur.
Question 10 : Quel est le gain d'un montage non-inverseur avec deux résistances identiques ?
Réponse : C. La formule est $1 + (R2 / R1)$. Si $R1 = R2$, alors $1 + 1 = 2$. Le signal est donc doublé.
Question 11 : Pourquoi dit-on que l'AOP est "opérationnel" ?
Réponse : A. Avant l'ère du numérique, on utilisait des calculateurs analogiques à base d'AOP pour résoudre des équations différentielles en temps réel.
Question 12 : Quel paramètre limite la vitesse de variation de la sortie d'un AOP ?
Réponse : D. Le Slew Rate (vitesse de balayage) est la pente maximale que peut suivre la tension de sortie, exprimée en V/µs. Cela limite l'utilisation de l'AOP en haute fréquence.
Question 13 : Dans un montage inverseur, où est branchée l'entrée non-inverseuse (+) ?
Réponse : B. Dans le montage inverseur classique, l'entrée (+) est reliée directement à la masse. On dit que l'entrée (-) est une "masse virtuelle".
Question 14 : Quelle est l'impédance de sortie d'un AOP idéal ?
Réponse : C. Idéalement, la sortie se comporte comme une source de tension parfaite, capable de fournir n'importe quel courant sans chute de tension interne.
Question 15 : Un montage soustracteur utilise quelles entrées de l'AOP ?
Réponse : A. Le montage soustracteur (ou différentiel) appliqu'un signal sur chaque entrée via des ponts de résistances pour effectuer la différence $V_2 - V_1$.
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