Nous avons vu dans le dernier tutoriel que le gain en boucle ouverte, ( AVO ) d’un amplificateur opérationnel peut être très élevé, jusqu’à 1 000 000 (120dB) ou plus.
Cependant, ce gain très élevé ne nous est d’aucune utilité réelle car il rend l’amplificateur à la fois instable et difficile à contrôler car le plus petit des signaux d’entrée, juste quelques micro-volts, (μV) suffirait à faire saturer la tension de sortie et à la faire basculer vers l’un ou l’autre des rails d’alimentation en tension perdant ainsi le contrôle complet de la sortie.
Comme le gain en courant continu en boucle ouverte d’un amplificateur opérationnel est extrêmement élevé, nous pouvons donc nous permettre de perdre une partie de ce gain élevé en connectant une résistance appropriée à travers l’amplificateur de la borne de sortie vers la borne d’entrée inverseuse pour à la fois réduire et contrôler le gain global de l’amplificateur. Cela produit alors un effet connu communément sous le nom de rétroaction négative, et produit ainsi un système très stable à base d’amplificateur opérationnel.
La rétroaction négative est le processus de « réinjection » d’une fraction du signal de sortie vers l’entrée, mais pour rendre la rétroaction négative, nous devons la réinjecter sur la borne négative ou « entrée inverseuse » de l’amplificateur opérationnel en utilisant une résistance de rétroaction externe appelée Rƒ. Cette connexion de rétroaction entre la sortie et la borne d’entrée inverseuse force la tension d’entrée différentielle vers zéro.
Cet effet produit un circuit en boucle fermée à l’amplificateur résultant en ce que le gain de l’amplificateur est maintenant appelé son Gain en boucle fermée. Ensuite, un amplificateur inverseur en boucle fermée utilise la rétroaction négative pour contrôler précisément le gain global de l’amplificateur, mais à un coût dans la réduction du gain des amplificateurs.
Cette rétroaction négative a pour résultat que la borne d’entrée inverseuse a un signal différent sur elle que la tension d’entrée réelle car elle sera la somme de la tension d’entrée plus la tension de rétroaction négative lui donnant l’étiquette ou le terme d’un point de sommation. Nous devons donc séparer le signal d’entrée réel de l’entrée inverseuse en utilisant une résistance d’entrée, Rin.
Comme nous n’utilisons pas l’entrée positive non-inverseuse, celle-ci est connectée à une borne de masse commune ou de tension nulle comme indiqué ci-dessous, mais l’effet de ce circuit de rétroaction en boucle fermée fait que le potentiel de tension à l’entrée inverseuse est égal à celui de l’entrée non-inverseuse produisant un point de sommation Terre virtuelle car il sera au même potentiel que l’entrée de référence mise à la masse. En d’autres termes, l’amplificateur opérationnel devient un « amplificateur différentiel ».
Configuration de l’amplificateur opérationnel inverseur
Dans ce circuit d’amplificateur inverseur, l’amplificateur opérationnel est connecté avec une rétroaction pour produire un fonctionnement en boucle fermée. Lorsqu’on traite des amplificateurs opérationnels, il y a deux règles très importantes à retenir concernant les amplificateurs inverseurs, ce sont : « Aucun courant ne circule dans la borne d’entrée » et que « V1 est toujours égal à V2 ». Cependant, dans les circuits d’amplificateurs opérationnels du monde réel, ces deux règles sont légèrement brisées.
C’est parce que la jonction du signal d’entrée et de rétroaction ( X ) est au même potentiel que l’entrée positive ( + ) qui est à zéro volt ou à la terre alors, la jonction est une « Terre virtuelle ». En raison de ce nœud de terre virtuelle, la résistance d’entrée de l’amplificateur est égale à la valeur de la résistance d’entrée, Rin et le gain en boucle fermée de l’amplificateur inverseur peut être réglé par le rapport des deux résistances externes.
Nous avons dit ci-dessus qu’il y a deux règles très importantes à retenir au sujet des amplificateurs inverseurs ou de tout amplificateur opérationnel d’ailleurs et ce sont .
- Aucun courant ne circule dans les bornes d’entrée
- La tension différentielle d’entrée est nulle car V1 = V2 = 0 (Terre virtuelle)
Alors, en utilisant ces deux règles, nous pouvons dériver l’équation pour calculer le gain en boucle fermée d’un amplificateur inverseur, en utilisant les premiers principes.
Le courant ( i ) circule dans le réseau de résistances comme indiqué.
Alors, le gain de tension en boucle fermée d’un amplificateur inverseur est donné comme suit .
et ceci peut être transposé pour donner Vout comme :
Sortie linéaire
Le signe négatif dans l’équation indique une inversion du signal de sortie par rapport à l’entrée car il est déphasé de 180o. Ceci est dû au fait que la rétroaction est de valeur négative.
L’équation de la tension de sortie Vout montre également que le circuit est de nature linéaire pour un gain d’amplificateur fixe car Vout = Vin x Gain. Cette propriété peut être très utile pour convertir un signal de capteur plus petit en une tension beaucoup plus grande.
Une autre application utile d’un amplificateur inverseur est celle d’un circuit « amplificateur à transrésistance ». Un amplificateur à transrésistance également connu sous le nom d' »amplificateur à transimpédance », est fondamentalement un convertisseur courant-tension (Courant « in » et Tension « out »). Ils peuvent être utilisés dans des applications à faible puissance pour convertir un très petit courant généré par une photodiode ou un dispositif de photodétection, etc, en une tension de sortie utilisable qui est proportionnelle au courant d’entrée comme indiqué.
Circuit amplificateur à transrésistance
Le circuit simple activé par la lumière ci-dessus, convertit un courant généré par la photo-diode en une tension. La résistance de contre-réaction Rƒ fixe le point de tension de fonctionnement à l’entrée inverseuse et contrôle la quantité de sortie. La tension de sortie est donnée par Vout = Is x Rƒ. Par conséquent, la tension de sortie est proportionnelle à la quantité de courant d’entrée généré par la photodiode.
Exemple d’amplificateur opérationnel inverseur n°1
Trouvez le gain en boucle fermée du circuit d’amplificateur inverseur suivant.
En utilisant la formule trouvée précédemment pour le gain du circuit
Nous pouvons maintenant substituer les valeurs des résistances du circuit comme suit ,
Rin = 10kΩ et Rƒ = 100kΩ
et le gain du circuit est calculé comme suit : -Rƒ/Rin = 100k/10k = -10
Par conséquent, le gain en boucle fermée du circuit amplificateur inverseur ci-dessus est donné -10 ou 20dB (20log(10)).
Exemple d’ampli-op inverseur n°2
Le gain du circuit original doit être augmenté à 40 (32dB), trouvez les nouvelles valeurs des résistances nécessaires.
En supposant que la résistance d’entrée doit rester à la même valeur de 10KΩ, alors en réarrangeant la formule de gain de tension en boucle fermée, nous pouvons trouver la nouvelle valeur requise pour la résistance de rétroaction Rƒ.
Gain = Rƒ/Rin
par conséquent, Rƒ = Gain x Rin
Rƒ = 40 x 10 000
Rƒ = 400 000 ou 400KΩ
Les nouvelles valeurs des résistances requises pour que le circuit ait un gain de 40 seraient :
Rin = 10KΩ et Rƒ = 400KΩ
La formule pourrait également être réarrangée pour donner une nouvelle valeur de Rin, en gardant la même valeur de Rƒ.
Un dernier point à noter concernant la configuration d’amplificateur inverseur pour un amplificateur opérationnel, si les deux résistances sont de valeur égale, Rin = Rƒ alors le gain de l’amplificateur sera de -1 produisant une forme complémentaire de la tension d’entrée à sa sortie comme Vout = -Vin. Ce type de configuration d’amplificateur inverseur est généralement appelé un inverseur à gain unitaire ou simplement un tampon inverseur.
Dans le prochain tutoriel sur les amplificateurs opérationnels, nous analyserons le complément du circuit amplificateur opérationnel inverseur appelé amplificateur non inverseur qui produit un signal de sortie qui est « en phase » avec l’entrée.
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