Que sont les amplificateurs opérationnels?
Les amplificateurs opérationnels sont les éléments de base de Circuits électroniques analogiques . Ce sont des appareils linéaires avec toutes les propriétés d'un amplificateur CC. Nous pouvons utiliser des résistances ou des condensateurs externes pour l'amplificateur opérationnel de nombreuses manières différentes pour en faire différentes formes d'amplification telles que l'amplificateur inverseur, l'amplificateur non inverseur, le suiveur de tension, le comparateur, l'amplificateur différentiel, l'amplificateur sommateur, l'intégrateur, etc. Les OPAMP peuvent être simples, Les OPAMP comme CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 etc. ont d'excellentes performances avec un courant d'entrée et une tension très faibles. L'ampli op idéal a trois bornes importantes en plus d'autres bornes. Les bornes d'entrée sont une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse. La troisième borne est la sortie qui peut absorber et générer du courant et de la tension. Le signal de sortie est le gain de l'amplificateur multiplié par la valeur du signal d'entrée.
5 caractères idéaux d'un ampli opérationnel:
1. Gain en boucle ouverte
Le gain en boucle ouverte est le gain de l'amplificateur opérationnel sans rétroaction positive ou négative. Un ampli OP idéal devrait avoir un gain en boucle ouverte infini, mais il se situe généralement entre 20 000 et 2 00 000.
2. Impédance d'entrée
C'est le rapport entre la tension d'entrée et le courant d'entrée. Il doit être infini sans aucune fuite de courant de l'alimentation vers les entrées. Mais il y aura quelques fuites de courant Pico ampère dans la plupart des amplis opérationnels.
3. Impédance de sortie
L'ampli op idéal doit avoir une impédance de sortie nulle sans aucune résistance interne. Afin qu'il puisse fournir le plein courant à la charge connectée à la sortie.
4. Largeur de bande
L'ampli op idéal doit avoir une réponse en fréquence infinie afin de pouvoir amplifier n'importe quelle fréquence des signaux CC aux fréquences CA les plus élevées. Mais la plupart des amplis opérationnels ont une bande passante limitée.
5. Décalage
La sortie de l'amplificateur opérationnel doit être nulle lorsque la différence de tension entre les entrées est nulle. Mais dans la plupart des amplis op, la sortie ne sera pas nulle lorsqu'elle est éteinte, mais il y aura une tension minute.
Configuration des broches OPAMP:
Dans un ampli opérationnel typique, il y aura 8 broches. Ceux-ci sont
Pin1 - Offset Null
Pin2 - Inverser l'entrée INV
Pin3 - Entrée non inverseuse Non-INV
Pin4 - Masse - Alimentation négative
Pin5 - Décalage nul
Pin6 - Sortie
Pin7 - Alimentation positive
Pin8 - Stroboscope
4 types de gain dans les OPAMP:
Gain de tension - Tension d'entrée et de sortie de tension
Gain de courant - Entrée et sortie de courant
Transconductance - Tension d'entrée et de sortie de courant
Résistance trans - Entrée et sortie de courant
Fonctionnement d'un amplificateur opérationnel:
Ici, nous avons utilisé un amplificateur opérationnel de LM358. Habituellement, une entrée non inverseuse doit être donnée à une polarisation et l'entrée inverseuse est l'amplificateur réel connecté à une résistance de retour de 60k de la sortie à l'entrée. Et une résistance 10k est connectée en série avec un condensateur et une alimentation en onde sinusoïdale de 1V est donnée au circuit, nous allons maintenant voir comment le gain sera régi par R2 / R1 = 60k / 10k = 6 gain, puis la sortie est 6V . Si nous modifions le gain de 40, la sortie est de 4V d'onde sinusoïdale.
Vidéo sur le fonctionnement de l'amplificateur opérationnel
Normalement, il s'agit d'un amplificateur à double alimentation, il se configure facilement sur une seule alimentation en utilisant un réseau résistant. En cela, les résistances R3 et R4 placent une tension de la moitié de la tension d'alimentation aux bornes de l'entrée non inverseuse, ce qui fait que la tension de sortie est également la moitié de la tension d'alimentation formant une sorte de tension de polarisation Les résistances de tension R3 et R4 peuvent être de n'importe quelle valeur de 1k à 100k mais dans tous les cas, ils doivent être égaux. Un condensateur supplémentaire de 1 F a été ajouté à l'entrée non inverseuse pour réduire le bruit causé par la configuration. L'utilisation de condensateurs de couplage pour l'entrée et la sortie est requise pour cette configuration.
3 applications OPAMP:
1. Amplification
Le signal de sortie amplifié de l'amplificateur opérationnel est la différence entre les deux signaux d'entrée.
Le schéma ci-dessus est la connexion simple de l'amplificateur opérationnel. Si les deux entrées sont fournies avec la même tension, l'ampli op prendra alors la différence entre les deux tensions et ce sera 0. L'ampli op multipliera cela avec son gain de 1 000 000 de sorte que la tension de sortie est de 0. Lorsque 2 volts est donné à une entrée et 1 volt dans l'autre, alors l'ampli op prendra sa différence et se multipliera avec le gain. C'est 1 volt x 1 000 000. Mais ce gain est très élevé donc pour réduire le gain, la rétroaction de la sortie vers l'entrée se fait généralement via une résistance.
Amplificateur inverseur:
Le circuit illustré ci-dessus est un amplificateur inverseur avec l'entrée non inverseuse connectée à la terre. Deux résistances R1 et R2 sont connectées dans le circuit de telle manière que R1 alimente le signal d'entrée tandis que R2 renvoie la sortie à l'entrée inverseuse. Ici, lorsque le signal d'entrée est positif, la sortie sera négative et vice versa. Le changement de tension en sortie par rapport à l'entrée dépend du rapport des résistances R1 et R2. R1 est sélectionné comme 1K et R2 comme 10K. Si l'entrée reçoit 1 volt, alors il y aura un courant de 1 mA via R1 et la sortie devra devenir - 10 volts afin de fournir un courant de 1 mA via R2 et de maintenir une tension nulle à l'entrée inverseuse. Par conséquent, le gain de tension est R2 / R1. Soit 10K / 1K = 10
Amplificateur non inverseur:
Le circuit illustré ci-dessus est un amplificateur non inverseur. Ici, l'entrée non inverseuse reçoit le signal tandis que l'entrée inverseuse est connectée entre R2 et R1. Lorsque le signal d'entrée se déplace soit positif ou négatif, la sortie sera en phase et maintient la tension à l'entrée inverseuse identique à celle de l'entrée non inverseuse. Le gain de tension dans ce cas sera toujours supérieur à 1 donc (1 + R2 / R1).
deux. Suiveur de tension
Le circuit ci-dessus est un suiveur de tension. Ici, il fournit une impédance d'entrée élevée, une faible impédance de sortie. Lorsque la tension d'entrée change, la sortie et l'entrée inverseuse changeront également.
3. Comparateur
L'amplificateur opérationnel compare la tension appliquée à une entrée à la tension appliquée à l'autre entrée. Toute différence entre les tensions, si elle est petite, entraîne la saturation de l'ampli-op. Lorsque les tensions fournies aux deux entrées sont de la même amplitude et de la même polarité, la sortie de l'ampli-op est de 0 volts.
Un comparateur produit des tensions de sortie limitées qui peuvent facilement s'interfacer avec la logique numérique, même si la compatibilité doit être vérifiée.
Vidéo sur l'amplificateur opérationnel en tant que schéma de circuit de comparaison
Ici, nous avons un ampli opérationnel utilisé comme comparateur avec les bornes inverseuses et non inverseuses et connecté un diviseur de potentiel et un compteur à eux et un voltmètre à la sortie et LED à le résultat. La formule de base du comparateur est que lorsque «+» est supérieur au «–», la sortie est élevée (un), sinon la sortie est égale à zéro. Lorsque la tension sur l'entrée négative est inférieure à la tension de référence, la sortie est élevée et lorsque l'entrée négative dépasse la tension sur le positif, la sortie devient basse.
3 Exigences pour les OPAMP:
1. Annulation de décalage
La plupart des OPAMP ont une tension de décalage à la sortie même si les tensions d'entrée sont les mêmes. Pour rendre la sortie à une tension nulle, la méthode d'annulation du décalage est utilisée. Dans la plupart des amplis-op, il y a un petit décalage en raison de leur propriété inhérente et résulte des non-concordances dans l'arrangement de polarisation d'entrée. Ainsi, une petite tension de sortie est disponible à la sortie de certains amplis-op même si le signal d'entrée est nul. Cet inconvénient peut être corrigé en fournissant une faible tension de décalage aux entrées. Ceci est connu sous le nom de tension de décalage d'entrée. Pour supprimer ou annuler le décalage, la plupart des amplificateurs opérationnels ont deux broches pour activer l'annulation du décalage. Pour cela, un Pot ou un Preset d'une valeur typique de 100K doit être connecté entre les broches 1 et 5 avec son essuie-glace à la terre. En ajustant le préréglage, la sortie peut être réglée à zéro tension.
deux. Compensation stroboscopique ou de phase
Les amplificateurs opérationnels peuvent parfois devenir instables et pour les rendre stables pour toutes les bandes de fréquences, un capuchon est généralement connecté entre sa broche stroboscopique 8 et la broche 1. Habituellement, un condensateur de disque de 47pF est ajouté pour compensation de phase afin que l'OpAmp reste stable. Ceci est le plus important si l'OpAmp est utilisé comme amplificateur sensible.
3. Retour d'information
Comme vous le savez, l'amplificateur opérationnel a un niveau d'amplification très élevé, généralement environ 1000,00 fois. Supposons que l'ampli-op ait un gain de 10 000, alors l'ampli-op amplifie la différence de tension dans son entrée non inverseuse (V +) et son entrée inverseuse (V-). Ainsi, la tension de sortie V out est
10 000 x (V + - V-)
Dans le diagramme, le signal est appliqué à l'entrée non inverseuse et l'entrée inverseuse est connectée à la sortie. Donc V + = V in et V- = Vout. Donc Vout = 10 000 x (Vin - Vout). Par conséquent, la tension de sortie est presque égale à la tension d'entrée.
Voyons maintenant comment fonctionne le Feedback. Le simple fait d'ajouter une résistance entre l'entrée inverseuse et la sortie réduira considérablement le gain. En prenant une fraction de la tension de sortie à l'entrée inverseuse, on peut réduire considérablement l'amplification.
Conformément à l'équation précédente, V out = 10 000 x (V + - V-). Mais ici, une résistance de rétroaction est ajoutée. Donc ici V + est Vin et V- est R1.R1 + R2 x V out. Par conséquent, V out est 10 000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Donc V out = R1 + R2.R1x Vin
Retours négatifs:
Ici, la sortie de l'ampli-op est connectée à son entrée inverseuse (-), ainsi la sortie est renvoyée à l'entrée afin d'atteindre un équilibre. Ainsi, le signal d'entrée à l'entrée non inverseuse (+) sera réfléchi à la sortie. L'ampli-op avec la rétroaction négative conduira sa sortie au niveau nécessaire et, par conséquent, la différence de tension entre ses entrées inverseuses et non inverseuses sera presque nulle.
Commentaire positif:
Ici, la tension de sortie est renvoyée à l'entrée non inverseuse (+). Le signal d'entrée est envoyé à l'entrée inverseuse. Dans la conception à rétroaction positive, si l'entrée inverseuse est connectée à la terre, la tension de sortie de l'ampli-op dépendra de l'amplitude et de la polarité de la tension à l'entrée non inverseuse. Lorsque la tension d'entrée est positive, la sortie de l'amplificateur opérationnel sera positive et cette tension positive sera appliquée à l'entrée non inverseuse, ce qui entraînera une sortie entièrement positive. Si la tension d'entrée est négative, la condition sera inversée.
Une application d'amplificateurs opérationnels - Préamplificateur audio
Filtres et préamplificateurs:
Les amplificateurs de puissance viendront après les préamplificateurs et avant les haut-parleurs. Les lecteurs CD et DVD modernes n’ont pas besoin de préamplificateurs. Ils ont besoin d'un contrôle du volume et de sélecteurs de source. En utilisant des commandes de commutation et un volume passif, nous pouvons éviter les préamplificateurs.
Laissez-nous un bref sur les amplificateurs de puissance audio
L'amplificateur de puissance est un composant qui peut piloter les haut-parleurs en convertissant le signal de bas niveau en un signal important. Le travail des amplificateurs de puissance est de produire une tension et un courant relativement élevés. Généralement, la plage de gain de tension est comprise entre 20 et 30. Les amplificateurs de puissance ont une résistance de sortie très faible.
Spécifications de l'amplificateur de puissance audio
- Puissance de sortie maximale:
La tension de sortie est indépendante de la charge, pour les petits et les grands signaux. La tension donnée appliquée à la charge entraîne deux fois la quantité de courant. Par conséquent, deux fois la quantité d'énergie sera fournie. La puissance nominale est la puissance sinusoïdale moyenne continue de telle sorte que la puissance peut être mesurée en employant une onde sinusoïdale dont la tension efficace est mesurée sur une base à long terme.
- Fréquence de réponse:
La réponse en fréquence doit étendre la bande audio complète de 20 Hz à 20 KHz. La tolérance à la réponse en fréquence est de ± 3db. La manière conventionnelle de spécifier la bande passante est qu'un amplificateur est en baisse de 3 dB par rapport au 0 dB nominal.
- Bruit:
Les amplificateurs de puissance doivent produire un faible bruit lorsque les amplificateurs de puissance sont utilisés avec des fréquences élevées. Le paramètre de bruit peut être pondéré ou non pondéré. Le bruit non pondéré sera spécifié sur une bande passante de 20 KHz. Sur la base de la sensibilité pondérée de l’oreille, la spécification du bruit sera prise en considération. La mesure du bruit pondéré tend à atténuer le bruit à des fréquences plus élevées, par conséquent la mesure du bruit pondéré est bien meilleure que la mesure du bruit non pondéré.
- Distorsion:
La distorsion harmonique totale est la distorsion commune généralement spécifiée à différentes fréquences. Ceci sera spécifié à un niveau de puissance qui est donné avec l'impédance de charge de commande d'amplificateur de puissance.
