Les composants actifs : les amplis opérationnels - L'électronique pour le musicien partie 9

L’am­pli­fi­ca­teur opéra­tion­nel, souvent appelé ampli op ou AOP (ou op amp en anglais), est un compo­sant actif, utilisé pour l’am­pli­fi­ca­tion de signaux audio, entre autres fonc­tions. Comme son nom l’in­dique, l’am­pli­fi­ca­teur opéra­tion­nel fut initia­le­ment utilisé pour la réali­sa­tion d’opé­ra­tions simples (addi­tion ou sous­trac­tion, par exemple) par des circuits élec­tro­niques. On ne sera donc pas surpris d’en trou­ver dans de nombreux calcu­la­teurs analo­giques.

Dans cet article nous allons étudier le fonc­tion­ne­ment de base d’un AOP, son utili­sa­tion en ampli­fi­ca­teur de tension inver­seur, non-inver­seur et son utili­sa­tion en ampli­fi­ca­teur tampon. Toute­fois, avant d’étu­dier quelques sché­mas de montage, voyons à quoi ressemble un AOP et ce qu’il contient.

Mille pattes

Dans la plupart des circuits audio, vous rencon­tre­rez des AOP qui ressem­ble­ront à ceci : un boîtier gris ou noir, rectan­gu­laire, plus ou moins grand, d’où sort une série de « pattes », ou broches, dispo­sées symé­trique­ment de chaque côté. On dirait un petit insec­te…

Cepen­dant, leur appa­rence peut varier. Il est donc bon d’avoir en tête les diffé­rents types de boîtiers pour les recon­naître :

Sur le dessus, on trouve géné­ra­le­ment deux marquages impor­tants :

• Le nom du modèle, bien entendu
• Le marquage d’orien­ta­tion (un petit cercle ou demi cercle creusé dans le plas­tique du boîtier). Celui-ci va nous permettre d’iden­ti­fier chaque broche en nous réfé­rant aux données four­nies par le construc­teur.

Cela va se révé­ler utile car chaque patte a une fonc­tion qui lui est attri­buée. Bien iden­ti­fier le sens de montage d’un ampli op est non seule­ment impor­tant pour assem­bler un circuit, c’est égale­ment crucial lorsqu’on en conçoit un, car on pourra alors réflé­chir à posi­tion­ner les compo­sants intel­li­gem­ment en fonc­tion de l’AOP.

Dans un schéma, un ampli op sera géné­ra­le­ment symbo­lisé ainsi (cf. symbole à gauche)

Certains éléments sont à prendre en compte pour bien comprendre la nota­tion sché­ma­tique d’un AOP. Ainsi, le graphique ci-dessus repré­sente en vérité un étage d’am­pli­fi­ca­tion opéra­tion­nel… mais certains AOP en possède deux, ou plus ! Il arrive donc qu’un seul boîtier embarque en vérité deux amplis opéra­tion­nels (ou quatre, ou six…). Ce qui donne des choses comme cela (cf. photo de droite)

Pour donner un exemple concret, voici un détail du schéma de la célèbre pédale Klon Centaur : on voit bien deux fois le symbole d’un AOP, mais en réalité il s’agit d’un seul compo­sant. Remarquez à côté de chaque symbole le marquage U1A et U1B, signi­fiant qu’il s’agit de deux sections (A et B) d’un même compo­sant (numé­roté U1) :

NB : vous remarquez que les amplis op ont deux pattes consa­crées à leur alimen­ta­tion (posi­tive et néga­tive). Ce sont des compo­sants actifs qui, pour fonc­tion­ner, ont besoin de rece­voir une tension d’ali­men­ta­tion (tour­nant souvent autour de +15V / –15V). Ces deux pattes sont souvent omises dans les sché­mas car elles sont de toutes façons néces­sai­re­ment raccor­dées à l’ali­men­ta­tion.

Que trouve-t-on à l’in­té­rieur d’un ampli opéra­tion­nel ?

Les entrailles de la bête

En fait, un AOP est ce qu’on appelle un circuit inté­gré, ce qui revient à dire qu’il s’agit d’un compo­sant lui-même formé de plusieurs compo­sants minia­tu­ri­sés, connec­tés entre eux en un circuit. En d’autres termes, à l’in­té­rieur de ce petit boîtier rectan­gu­laire, il y a une foule de compo­sants minia­tu­ri­sés. Les construc­teurs donnent toujours le schéma interne d’un AOP. Voilà, par exemple, le schéma du circuit présent à l’in­té­rieur du modèle LM308 (un grand clas­sique de l’au­dio), tel que nous le trou­vons dans sa fiche tech­nique.

Si vous avez lu les articles précé­dents, vous repè­re­rez sans diffi­culté des résis­tances, des tran­sis­tors bipo­lai­res… 

NB : Il me semble impor­tant de noter, à cet endroit de l’ar­ticle, que nous ne pour­rons pas nous pencher en détail sur l’in­té­gra­lité du fonc­tion­ne­ment interne d’un ampli opéra­tion­nel (comme nous l’avions fait pour un tran­sis­tor, par exemple – hyper­lien article 6). Pour des ques­tions de conci­sion, nous abor­de­rons les montages des AOP en consi­dé­rant les fonc­tions géné­rales du compo­sant, sans essayer de décor­tiquer quels éléments internes en sont respon­sables.

Essayons main­te­nant de comprendre : qu’est que fait un ampli opéra­tion­nel ?

Addi­tion, sous­trac­tion et ampli­fi­ca­tion

Les ampli­fi­ca­teurs opéra­tion­nels sont le fruit de la minia­tu­ri­sa­tion des compo­sants, qui est à l’œuvre dans le domaine de l’in­gé­nie­rie depuis plusieurs décen­nies. Ils ont été conçus pour inté­grer faci­le­ment des circuits opéra­teurs dans des appa­reils. Ils ont pour fonc­tion de résoudre analo­gique­ment des problèmes numé­riques, comme des addi­tions, sous­trac­tions, déri­va­tions, etc. en mini­mi­sant la taille des circuits actifs dans ces tâches. 

Toute­fois, le domaine qui nous inté­resse est celui de l’au­dio, où ils sont employés comme étage ampli­fi­ca­teur. Leur impé­dance d’en­trée très grande, impé­dance de sortie faible et leur gain en tension très impor­tant en font un outil idéal dans l’am­pli­fi­ca­tion de signaux musi­caux. Comment cela fonc­tionne-t-il ? Repre­nons l’image sché­ma­tique présen­tée ci-dessus (cf. symbole à droite)

Consi­dé­rons ce que nous voyons comme un ampli op idéal (un AOP réel ne fonc­tion­nera pas aussi bien, mais nous passe­rons sur ces détails pour l’ins­tant). Il a deux entrées, l’une marquée – (entrée inver­seuse) et l’autre marquée + (entrée non-inver­seuse) ; en face il a une seule sortie. L’am­pli op idéal a les carac­té­ris­tiques suivantes : 

• Une impé­dance d’en­trée infi­ni­ment élevée, donc qui s’adapte toujours bien à ce qui le précède dans le circuit.
• Une impé­dance de sortie théo­rique­ment égale à zéro (pas le cas dans la réalité, mais presque), donc capable de four­nir un courant impor­tant.
• Un gain infi­ni­ment grand : c’est à dire qu’il pour­rait idéa­le­ment sortir une tension infi­ni­ment grande.

Que fait-il lorsqu’il fonc­tionne ? Il va ampli­fier la diffé­rence entre les tensions à ses deux entrées. Si on veut faire un peu d’an­thro­po­mor­phisme, on peut dire que l’am­pli op « cherche » à équi­li­brer ses entrées pour obte­nir une diffé­rence entre les deux signaux égale à zéro (c’est-à-dire comme si on appliquait les mêmes signaux à l’en­trée + et –).

Comment l’am­pli op peut-il travailler pour équi­li­brer ses entrées ? Grâce à une tech­nique, que nous n’avons pas encore abor­dée, qui s’ap­pelle la contre-réac­tion (feed­back pour ceux qui aiment l’an­glais). Il s’agit de prendre le signal de sortie, et de le réinjec­ter à une des entrées.

NB : Les boucles de contre-réac­tion sont un outil extrê­me­ment impor­tant pour exer­cer un contrôle sur les étages ampli­fi­ca­teurs. Nous en repar­le­rons certai­ne­ment dans le futur. 

Trois montages de base 

Pour bien comprendre ce fonc­tion­ne­ment, prenons trois exemples de montage. Le premier ci-dessous :

L’am­pli op reçoit un signal à son entrée non-inver­seuse, disons une tension de 1V. Il commence à émettre une tension « infi­nie » à sa sortie, et la boucle de contre-réac­tion renvoie cette tension vers l’en­trée inver­seuse. Dès que la tension de sortie atteint 1V (cela se fait presque instan­ta­né­ment, en vérité), l’en­trée inver­seuse voit égale­ment 1V : les deux entrées sont alors équi­li­brées (puisque 1V – 1V = 0) et l’am­pli opéra­tion­nel n’am­pli­fie pas plus sa tension de sortie: on aura donc 1V en entrée, 1V en sortie (on dirt que le gain est unitaire) mais, grâce à l’im­pé­dance de sortie très faible, le courant de sortie sera beau­coup plus élevé qu’à l’en­trée ! On vient de crée un ampli­fi­ca­teur tampon (nous en avions déjà parlé dans la version tran­sis­tor). 

Comment faire pour que ce montage ampli­fie la tension ? Il suffit d’in­sé­rer deux résis­tances dans le circuit : alors, le signal d’en­trée arrive à l’en­trée non inver­seuse, et la boucle de contre-réac­tion ramène une partie du signal de sortie à l’en­trée inver­seuse à travers R2.

Les résis­tances R1 et R2 forment un pont divi­seur (rappe­lez-vous, on en avait parlé ici). Le prin­cipe de fonc­tion­ne­ment d’un pont divi­seur c’est qu’une tension qui lui est appliquée va se répar­tir sur les diffé­rentes résis­tances. Par exemple, si les deux résis­tances ont des valeurs égales, pour une tension de 2V on aura 1V aux bornes de R1, 1V aux bornes de R2. Au point central, et donc à l’en­trée inver­seuse, on trou­vera main­te­nant 1V.

Donc dans notre schéma de droite, si l’on applique 1V à l’en­trée +, l’am­pli op devra produire 2V en sortie pour équi­li­brer ses entrées.

Le gain est de facteur 2, et le signal sort en phase avec l’en­trée.

On appelle ce montage ampli­fi­ca­teur non-inver­seur.

Pour finir si l’on entre sur l’en­trée inver­seuse :

Un signal d’en­trée de 1V amènera l’am­pli op à sortir un signal de –1V (puisqu’on est rentré sur l’en­trée inver­seuse), renvoyé à cette même entrée par la boucle de contre-réac­tion. On dit que l’on a affaire à une boucle de contre-réac­tion néga­tive (nega­tive feed­back). Les deux résis­tances de valeurs égales forment un point de somma­tion en leur centre, où l’on aura donc 1V – 1V = 0. Les entrées – et + sont alors équi­li­brées. On n’a donc, dans cette confi­gu­ra­tion, un gain unitaire, c’est-à-dire pas d’am­pli­fi­ca­tion de tension, mais inver­seur. On est revenu à un ampli­fi­ca­teur tampon, comme au début. Comment rendre ce montage ampli­fi­ca­teur ? En chan­geant la valeur de R2 (cf. schéma de droite) : ainsi pour obte­nir le 0V au milieu de notre pont divi­seur, l’am­pli op devra géné­rer une tension néga­tive plus élevée à sa sortie. Ici avec 1V aux bornes de 1K, on aura besoin de 3,3V aux bornes de 3,3K, pour obte­nir le 0V au point de somma­tion. Le facteur d’am­pli­fi­ca­tion sera de 3,3.

On appelle ce montage ampli­fi­ca­teur inver­seur, car une tension posi­tive en entrée donne une tension néga­tive à la sortie. Sur un signal audio, cela équi­vaut à un dépha­sage à 180°.

La formule simple pour calcu­ler le gain d’un étage inver­seur comme celui-ci est le suivant :

Gain = – R2/R1

Prenons un exemple : un signal d’en­trée de 100mV. Si nos résis­tances avaient été respec­ti­ve­ment R1 = 10K et R2 = 22K, on aurait un gain de –22/10 = –2,2. D’où un signal de sortie de 100 x –2,2 = –220mV

Voilà pour cette semaine. La semaine prochaine, nous nous penche­rons sur les règles qui régissent les montages de compo­sants en paral­lèle et en série.