Amplificateurs opérationnels (1): le comparateur

J'amorce aujourd'hui une série d'articles portant sur les nombreuses applications d'un composant incroyablement polyvalent:  l'amplificateur opérationnel.

Bien sûr, comme son nom l'indique, l'amplificateur opérationnel peut être utilisé pour amplifier un signal électrique.  Mais on peut également l'utiliser pour effectuer des opérations mathématiques comme l'intégrale ou la dérivée (d'où le qualificatif "opérationnel"), pour filtrer un signal comportant des fréquences indésirables, pour produire un signal périodique , pour débiter un courant d'intensité constante, etc.

Un amplificateur opérationnel est constitué de deux broches d'alimentation (une positive Vcc+, l'autre négative Vcc-), de deux entrées (l'entrée inverseuse V ^- et l'entrée non-inverseuse V⁺) et d'une sortie.  Il s'agit d'un amplificateur différentiel:  il produit à sa sortie une version amplifiée de la différence de potentiel entre ses deux entrées.   Ce comportement peut être décrit par l'opération mathématique suivante:

V_sortie = A ( V⁺ - V ^- )

...où A représente le gain de l'amplificateur, qui est tellement grand (typiquement de l'ordre de 1 million) que, pour simplifier les calculs, on peut considérer qu'il est infini!   De plus, l'impédance d'entrée de l'amplificateur opérationnel est très grande (idéalement infinie) alors que son impédance de sortie est très faible (idéalement nulle).


Assez de théorie pour l'instant:  expérimentons!

Vous aurez besoin, bien entendu,  d'un amplificateur opérationnel.  J'ai personnellement utilisé un LM741 (ou UA741), qui est un modèle de base très répandu et qui existe depuis plusieurs années, mais à peu près n'importe quel autre modèle d'amplificateur opérationnel d'usage général devrait faire l'affaire.  Si vous avez déjà un amplificateur opérationnel, peu importe son modèle, essayez-le; ça fonctionnera probablement.


Le 741 est vendu sous la forme d'un circuit intégré à 8 pins.  Mais vous pouvez également vous procurer des circuits intégrés qui comportent 2 ou 4 amplificateurs opérationnels (ce qui est parfois bien pratique lorsqu'on veut utiliser plusieurs amplificateurs opérationnels dans le même circuit). Il s'agit que vous consultiez la fiche technique de votre modèle pour connaître l'assignation des pins.

Il vous faudra aussi une source d'alimentation continue bipolaire capable de fournir une tension positive et une tension négative.  Une alimentation ATX d'ordinateur constitue une solution économique et tout à fait efficace:  c'est d'ailleurs ce que j'ai utilisé.   La pin numéro 4 du LM741 est donc reliée à la sortie -12 V, alors que la pin numéro 7 est reliée à la sortie +12 V de la source d'alimentation.

À l'entrée non inverseuse (pin 3 du LM741), j'applique une tension de référence de 2,5 V au moyen d'un diviseur de tension constitué de deux résistances identiques de 10 kΩ alimentées  par une tension continue de 5 volts.

À l'entrée inverseuse (pin 2 du LM741), je branche un potentiomètre, ce qui me permettra d'appliquer une tension variant entre 0 et 5 volts.

À la sortie de l'amplificateur opérationnel:  deux LEDs indicatrices (chacune étant accompagnée d'une résistance de protection) permettront de connaître la polarité du signal de sortie.  Vous pouvez également brancher un voltmètre à la sortie.

Tournez le potentiomètre de façon à faire varier la tension à l'entrée inverseuse:  vous devriez constater que lorsque la tension à l'entrée inverseuse est plus grande que la tension à l'entrée non-inverseuse, la LED verte s'allume.  Lorsque c'est l'inverse, c'est la LED rouge qui est allumée.

Pourquoi?  Rappelez-vous de notre équation mathématique du début:

V_sortie = A ( V⁺ - V ^- )

Si V⁺ est plus grand que V ^-, le contenu de la parenthèse est positif et V_sortie prendra donc une très grande valeur positive.
Si V⁺ est plus petit que V ^-, le contenu de la parenthèse est négatif et V_sortie prendra donc une très grande valeur négative.

En théorie, le gain "A" est infiniment grand, donc le résultat de l'équation sera +∞ ou -∞.  En pratique, toutefois, la tension de sortie ne peut pas dépasser les ±12 V de l'alimentation;  donc la tension de sortie sera d'environ +12 V lorsque V⁺ est plus grand que V ^-,  et d'environ -12 V lorsque V⁺ est plus petit que V ^-.

Mais attention:  si vous avez besoin d'un comparateur dans un circuit, il est nettement préférable d'utiliser un circuit intégré spécialement dédié à cette fin (entre autres choses:  il sera plus rapide, comportera une hystérésis, etc.)

Prochain article:  le suiveur de tension.

Yves Pelletier (Twitter:  @ElectroAmateur)