Introduction aux amplificateurs opérationnels : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Dans ce Instructable, je vais donner une introduction à l'amplificateur opérationnel, l'un des appareils analogiques les plus utiles. Cet appareil peut être configuré comme un amplificateur non inverseur ou inverseur, un comparateur, un amplificateur de tension, un amplificateur de sommation, un amplificateur d'instrumentation, un tampon, un filtre actif, un oscillateur à pont de Wien et de nombreuses autres applications. L'amplificateur opérationnel est disponible dans différentes configurations, telles que le DIP simple LM741 à 8 broches ou l'amplificateur opérationnel quadruple LM324 à 14 broches illustré ci-dessus. Il existe également des types qui viennent dans des variantes de montage en surface.

Étape 1: Qu'est-ce qu'un amplificateur opérationnel ?

L'amplificateur opérationnel, également connu sous le nom d'amplificateur opérationnel, est un amplificateur de tension à gain élevé couplé en courant continu, intégré dans une puce IC. Ils ont deux entrées (entrée différentielle) et une sortie. Ils ont été utilisés comme blocs de construction dans l'électronique analogique depuis la sortie des premiers appareils à la fin des années 1960. L'une des beautés de ces dispositifs est qu'ils simplifient grandement la conception électronique par la nature de leur standardisation. La conception d'amplificateurs avec des composants discrets impliquait de nombreux ajustements en raison des différences entre les appareils actifs. Si les amplificateurs sont tous construits à partir de la même puce en silicium, ils peuvent tous être identiques et avoir les mêmes caractéristiques. Lors de la conception avec des amplificateurs opérationnels, un gain spécifique pour l'appareil peut être obtenu en installant deux résistances externes avec un rapport de résistance spécifique. Par exemple, si un gain de tension de 100 est souhaité, une résistance de 100k et une résistance de 1k pourraient être mises dans le circuit pour obtenir un rapport de 100. En utilisant cette stratégie, le gain est le même à chaque fois. L'ampli-op le plus populaire de tous les temps est le 741 qui existe depuis le début des années 70 et a été utilisé par des générations d'amateurs dans tout, des amplificateurs audio aux alimentations. Le 741 n'a pas été utilisé par l'industrie depuis de nombreuses années parce que de meilleurs amplificateurs opérationnels ont été développés, mais ils ont toujours un public parmi les amateurs et sont faciles à obtenir. Les premiers appareils sont sortis soit dans un style de boîtier double en ligne à 8 broches, soit dans une boîte métallique circulaire. Plus tard, les dispositifs de montage en surface sont devenus disponibles. Le 741 et d'autres amplis-op de son époque utilisaient des transistors bipolaires avec des dispositifs utilisant des entrées de transistor à effet de champ sortant plus tard. Les entrées de transistor à effet de champ ont commencé à être utilisées en raison de la nécessité d'avoir une plus grande impédance d'entrée et un drain de courant plus faible.

Étape 2: L'amplificateur non inverseur

L'amplificateur non inverseur est le premier circuit que nous aborderons. Dans le schéma ci-dessus, l'ampli op est câblé avec l'entrée allant à l'entrée positive avec la résistance de rétroaction allant à l'entrée négative. Le rapport de Rf à Rg détermine le gain. Dans le cas du circuit ci-dessus, le gain de tension est de 10. Le diagramme du milieu indique les limitations du "monde réel" de l'ampli op 741 lorsqu'une onde carrée de 10 kHz est introduite dans l'entrée mais ressort sous la forme d'une forme d'onde triangulaire en raison de la vitesse de commutation limitée de l'appareil. Lorsque l'entrée est abaissée à une onde carrée de 1 kHz, la sortie s'améliore et ressemble davantage à une vraie onde carrée. La mesure de la capacité de l'amplificateur opérationnel à suivre les changements d'amplitude du signal d'entrée est appelée "Slew Rate" et est mesurée en volts par microseconde. Le 741 a une cote très apprivoisée à 0,5 volts par microseconde. Les amplificateurs opérationnels à grande vitesse ont des valeurs nominales pouvant atteindre 5 000 volts par microseconde, bien qu'un amplificateur typique comme le TL081 ait une valeur nominale moyenne de 13 volts par microseconde.

Étape 3: L'amplificateur inverseur

L'amplificateur opérationnel peut être configuré de manière à ce qu'une forme d'onde négative de 1 volt puisse être inversée et amplifiée pour donner une forme d'onde positive de 10 volts. Les utilisations de cette configuration pourraient être partout où un changement de phase est nécessaire, comme dans les étages de commande des amplificateurs à transistors discrets.

Étape 4: Utilisation d'un ampli op comme convertisseur d'onde carrée à onde sinusoïdale

Le circuit ci-dessus changera une onde carrée de 1000 Hz en une onde sinusoïdale de 1000 Hz. Il le fait en filtrant toutes les composantes de fréquence (harmoniques) au-dessus et au-dessous de la fondamentale, qui est une onde sinusoïdale. Au lieu d'utiliser des résistances dans le circuit de rétroaction, nous utilisons des composants sélectifs en fréquence (condensateurs) qui fournissent une rétroaction négative pour annuler les fréquences indésirables. Le diagramme du milieu montre le circuit réel simulé et la forme d'onde produite. Le troisième diagramme montre la réponse en fréquence du circuit. Le nom technique de ce type de circuit est un filtre passe-bande actif. Il ne laisse passer qu'une bande de fréquences très étroite sans être atténué.

Étape 5: Utilisation d'un ampli op comme comparateur

Il existe des puces dédiées qui sont de meilleurs comparateurs, mais parfois vous n'en avez peut-être pas sous la main, il est donc toujours utile de savoir comment faire un comparateur à partir d'un ampli-op. Un examen rapide de ce qu'est un comparateur, il s'agit essentiellement d'un amplificateur opérationnel configuré comme un amplificateur sans retour, permettant à l'amplificateur de fonctionner à son gain maximal. Lorsqu'une entrée est liée à une tension spécifique telle que les 3 volts indiqués sur le schéma, le circuit donnera une sortie qui correspond presque à la tension maximale du rail lorsque les deux entrées sont à la même tension. Dans le cas du circuit ci-dessus, une onde sinusoïdale de 1 kHz donne une sortie lorsqu'elle monte au-dessus de 3 volts et commute à nouveau lorsque l'onde sinusoïdale passe en dessous de 3 volts. Les comparateurs sont couramment utilisés dans les (ADC) et les oscillateurs à relaxation.

Étape 6: Construire un amplificateur de sommation avec un amplificateur opérationnel

L'amplificateur de sommation ci-dessus reçoit deux signaux de 1 kHz, l'un de 10 mV crête à crête et l'autre de 20 mV crête à crête. La sortie résultante est de 60 mV crête à crête. Puisqu'il s'agit d'un amplificateur inverseur, il émet un signal de phase opposée.

Les amplificateurs de sommation sont utilisés dans les mélangeurs audio où différentes entrées doivent être additionnées. En alimentant des signaux dans des potentiomètres, les signaux peuvent être modifiés pour donner la sortie souhaitée.

Étape 7: Mélangeur audio à trois entrées

Ce circuit pourrait être utilisé pour mélanger deux instruments et une piste vocale, plus d'entrées pourraient être ajoutées selon les besoins. Chaque niveau d'entrée peut être réglé indépendamment avec les potentiomètres.