Le rôle d’un étage amplificateur à AOP
Un amplificateur opérationnel (AOP) possède un gain en boucle ouverte énorme, souvent supérieur à 100 000. La contre-réaction par deux résistances échange cet excès de gain contre un gain précis et stable, fixé uniquement par le rapport des résistances. Les deux montages de base sont l’amplificateur non inverseur et l’amplificateur inverseur.
Les formules
- Montage non inverseur : le signal arrive sur l’entrée + ; Rf relie la sortie à l’entrée − et Rin relie l’entrée − à la masse. Gain G = 1 + Rf ÷ Rin. La sortie est en phase avec l’entrée et l’impédance d’entrée est très élevée.
- Montage inverseur : le signal passe par Rin vers l’entrée −, l’entrée + est à la masse et Rf reboucle la sortie. Gain G = −Rf ÷ Rin. La sortie est en opposition de phase et l’impédance d’entrée vaut Rin.
Le gain en décibels vaut 20 × log10(|G|).
Exemple
Rf = 100 kΩ, Rin = 10 kΩ, entrée de 0,1 V, alimentation ±12 V, AOP avec un produit gain-bande de 1 MHz :
- gain non inverseur : 1 + 100 ÷ 10 = 11, soit 20,8 dB ;
- sortie : 11 × 0,1 = 1,1 V, loin des limites d’alimentation ;
- bande passante : 1 MHz ÷ 11 ≈ 91 kHz.
En montage inverseur, les mêmes résistances donnent un gain de −10 et une sortie de −1,1 V.
Bande passante et gain de bruit
Le produit gain-bande (GBW) est à peu près constant pour un AOP classique. La bande passante en boucle fermée vaut GBW divisé par le gain de bruit, égal à 1 + Rf ÷ Rin dans les deux montages. C’est pourquoi un inverseur de gain −1 a la même bande passante qu’un non inverseur de gain 2.
Conseils pratiques
- La sortie ne peut pas dépasser les tensions d’alimentation. Les AOP classiques perdent 1 à 2 V de chaque côté ; les modèles rail-to-rail s’en approchent à quelques dizaines de millivolts.
- Gardez des résistances entre 1 kΩ et 1 MΩ environ. Trop faibles, elles chargent la sortie ; trop fortes, elles ajoutent du bruit et des décalages dus aux courants de polarisation.
- Pour un gain élevé, répartissez-le sur deux étages afin de conserver assez de bande passante.
- La vitesse de balayage (slew rate) limite aussi les grands signaux rapides : vérifiez que 2π × f × Vcrête reste sous la valeur de la fiche technique.
- Un petit condensateur en parallèle sur Rf stabilise un montage qui oscille et coupe les hautes fréquences.