Présentation

Les amplificateurs de puissance actifs construits avec des amplificateurs opérationnels (amplificateurs de puissance) servent de pierre angulaire dans la conception électronique moderne, en particulier pour les applications qui nécessitent une amplification précise et faible de petits signaux. Les petits systèmes de signaux, tels que les interfaces de capteurs, les préamplificateurs audio, les canaux d'instrumentation et les récepteurs de communication, permettent de stimuler les signaux de niveau millivolt ou microamplificateur sans introduire de bruit, de distorsion ou d'instabilité appréciables. Les amplificateurs de puissance constituent une plateforme idéale pour ces tâches en raison de leur gain de boucle ouverte inhérent, d'un excellent rejet en mode commun et de la capacité à adapter les performances à travers des réseaux de rétroaction externes.

Principes fondamentaux de l'amplification des petits signaux

Contrairement au fonctionnement des signaux de grande taille, où les transistors peuvent basculer entre les zones de coupure et de saturation, les petits circuits de signal fonctionnent dans la région linéaire des appareils actifs. Cette linéarité est essentielle pour maintenir la fidélité des signaux. La distorsion, le bruit et les limites de bande passante deviennent critiques lorsque les signaux d'entrée ne sont que de quelques millivolts de pointe à pointe. Les amplis d'op excellent dans ce régime parce que leurs entrées différentielles et leur gain en boucle ouverte permettent un contrôle précis de la rétroaction. Le gain est établi avec précision par des composants passifs (résistants et condensateurs) dans la boucle de rétroaction, ce qui rend le circuit prévisible et répétable.

Considérations fondamentales en matière de conception

Configuration de gain

Dans une configuration non inversée, le gain de tension est de 1 + (Rf / Rg), où Rf est la résistance de rétroaction et Rg est la résistance au sol. La configuration inversée permet de gagner -Rf / Rin. Pour les petites applications de signal, la topologie non inversée est souvent préférée parce qu'elle offre une impédance d'entrée élevée et une sortie non inversée. Cependant, une sélection minutieuse des valeurs de résistance est nécessaire pour éviter les effets de chargement et pour maintenir la stabilité.

Phase de manipulation et de sortie de l'énergie

Pour les applications nécessitant plus de quelques milliampes ou un changement de tension plus important, il faut ajouter une étape de puissance externe. Les approches courantes comprennent un seul transistor dans une configuration de collecteur commun (suiveur d'émulateur) pour un courant accru, ou une paire complémentaire de push-pull (classe B ou classe AB) pour gérer des courants de charge positifs et négatifs avec une efficacité plus élevée. La phase de puissance doit être biaisée pour éliminer la distorsion croisée, en particulier dans les petits circuits de signal où toute non-linéarité est amplifiée. Par exemple, un réseau de biais AB de classe avec diodes ou un multiplicateur Vbe met un petit courant quiescent à travers les deux transistors de sortie, en maintenant la linéarité à de faibles niveaux de signal.

Correspondance d'impédance

Le transfert de puissance maximal et la perte minimale de signal se produisent lorsque l'impédance de la source, l'impédance d'entrée de l'amplificateur et l'impédance de charge sont correctement appariés. Les entrées non inversées d'amplificateurs d'op ont une impédance très élevée (megohms), ce qui les rend idéales pour l'interfaçage avec des sources de signal à haute impédance telles que des capteurs piézoélectriques ou des microphones électret. Inversement, l'impédance de sortie d'une topologie d'amplificateurs d'op est très faible (fractions d'un ohm), ce qui permet un entraînement direct de charges à faible impédance.

Bande passante et taux de rainure

Pour un gain de bande fermé donné, la bande passante –3 dB est approximativement divisée par le gain de bruit. Le taux de glissement détermine le taux maximal de variation de tension de sortie; le taux de glissement insuffisant provoque une distorsion induite par la slew sur les bords rapides. Pour les petits signaux, le taux de glissement est rarement une limitation à moins que l'amplificateur ne doive gérer des oscillations de grande ampleur à haute fréquence. Néanmoins, une règle du pouce consiste à sélectionner un ampli op avec un GBW au moins dix fois la fréquence de signal la plus élevée et un taux de glissement qui satisfait Taux de déplacement > 2π × f max × V peak. De nombreux amplis op à usage général (p. ex. NE5532, TL072) offrent des performances adéquates pour les petits signaux audio-bandes, tandis que les dispositifs à plus grande vitesse tels que les AD8065 ou OPA627 sont nécessaires pour les applications ultrasoniques ou à large bande.

Stabilité et rémunération

Les amplificateurs de puissance active doivent rester stables dans toutes les conditions de fonctionnement, surtout lorsque les charges capacitives (comme les câbles longs) ou lorsque le réseau de rétroaction introduit un décalage de phase. La plupart des amplis d'op modernes sont compensés en interne pour une stabilité de gain d'unité, mais une compensation externe peut être nécessaire lorsque le gain de boucle fermée est faible ou lorsque les charges capacitives sont lourdes. Les techniques comprennent l'ajout d'une petite résistance en série avec la sortie avant la charge (résistance à l'isolation), ou le placement d'un condensateur sur la résistance de rétroaction (rémunération de plomb).

Sélection de l'amplificateur opérationnel approprié

Paramètres clés

Le choix de l'ampli op correct est essentiel pour la performance de l'amplificateur de faible puissance de signal. Les paramètres suivants doivent être évalués:

  • Gain‐Bandwidth Product (GBW):[ Détermine la bande passante maximale en boucle fermée à un gain donné. Pour les petits signaux audio, un GBW de 1 à 10 MHz est typique; pour les applications ultrasoniques ou vidéo, 100 MHz ou plus peuvent être nécessaires.
  • Taux de rotation: Pour les calculs de la bande passante à pleine puissance, assurez-vous que la vitesse de rotation peut supporter la variation de tension maximale de sortie attendue à la plus haute fréquence.
  • Bruit de tension d'entrée: Les amplis op à faible bruit (p. ex. LME49720, OPA1611) ont des densités sonores inférieures à 1 nV/ √Hz et sont essentiels pour les signaux de niveau millivolt provenant de capteurs ou de microphones.
  • Capacité de courant d'entrée: Si aucune étape de puissance externe n'est utilisée, l'amplificateur d'op doit fournir le courant de charge complet. De nombreux amplis d'op audio peuvent fournir 20 à 50 mA, mais pour les courants plus élevés, un stade de rappel est nécessaire.
  • Gamme de tension d'alimentation: La tension d'alimentation de l'ampli d'op doit être adaptée à la balance de sortie souhaitée. Les alimentations fractionnées (par exemple ±15 V) sont courantes dans les petits circuits de signal pour gérer les signaux bipolaires sans décalage de courant continu.
  • La tension de rupture d'entrée et le courant de biais:[ La faible compensation et le faible biais sont essentiels pour l'amplification de précision.

De nombreux fabricants fournissent des guides de sélection complets et des notes d'application. Par exemple, Texas Instruments -Op Amps pour tout le monde (référence [1]) et Appareils analogiques -OpBamplifier la conception de petites notes d'application de signal [2] sont d'excellentes ressources.

Architectures de circuits pratiques

Suivant de tension avec sortie boostée

Pour augmenter le courant, un transistor NPN (Q1) est placé à la sortie de l'ampli op dans une configuration de collecteur commune. La sortie de l'ampli op entraîne la base de la Q1, et l'émetteur délivre le courant de charge. Une résistance de l'émetteur au sol règle le courant quiescent. Pour les signaux bidirectionnels (positifs et négatifs), une paire de push-pulls complémentaires (NPN et PNP) est utilisée. Cette topologie est largement utilisée dans les amplificateurs de casques audio et les pilotes de capteurs où une distorsion minimale est requise.

Amplificateur non inversé avec scène push-pull

Pour des gains supérieurs à l'unité, combinez une configuration d'ampli op non inversée avec une sortie de poussée de classe AB. L'ampli op crée des biais sur les bases d'une paire complémentaire à travers deux diodes biaisées (ou un multiplicateur Vbe). Le gain global de boucle fermée demeure déterminé par le réseau de rétroaction de l'ampli op, tandis que le stade de la pompe offre un courant élevé. Cette architecture offre une excellente linéarité parce que l'ampli op est un gain élevé correct pour toute non-linéarité introduite par la paire de transistors. Une implémentation typique utilise un seul condensateur 100 pF à travers la résistance de rétroaction pour assurer la stabilité, et une résistance de sortie 10 Φ pour l'isolement.

Entrée différentielle pour les signaux équilibrés

Un amplificateur différentiel utilisant un ampli op permet un rejet en mode commun, rejetant le bruit capté sur les deux lignes. Le gain est déterminé par le rapport de la résistance de rétroaction à la résistance d'entrée (pour chaque moitié). Une correspondance de résistance de précision est essentielle; les tolérances de 0,1 % sont courantes pour les circuits de qualité instrumentale. L'ampli op sélectionné devrait avoir un rapport de rejet en mode commun élevé (CMRR) et un faible décalage d'entrée. Pour les applications nécessitant une impédance d'entrée très élevée, un amplificateur instrumental (comme l'AD620) peut être construit à partir de trois amplificateurs d'opération, ou une seule puce peut être utilisée.

Techniques de conception avancées

Conception du réseau de rétroaction

Au-delà de la simple rétroaction résistive, le réseau de rétroaction peut inclure des condensateurs pour façonner la réponse de fréquence ou pour mettre en œuvre des filtres actifs. Pour les petits amplificateurs de signal, un petit condensateur en parallèle avec la résistance de rétroaction crée un filtre à passe basse qui permet d'atténuer le bruit de haute fréquence. La fréquence de coupure est f c = 1/(2π Rf C).

Gestion thermique

Même les petits amplificateurs de signal peuvent surchauffer si le stade de sortie dissipe une puissance significative. Le biais de formation en classe AB produit une consommation de puissance constante qui, combinée à la puissance de charge, augmente les températures de jonction. Les dissipateurs de chaleur doivent être dimensionnés pour maintenir la température de jonction transistor de sortie en dessous de la cote du fabricant (habituellement 150°C).

Circuits de protection

Les petits amplificateurs de signal sont vulnérables aux décharges électrostatiques, aux décharges surcourantes et aux décharges surtension. Les protections simples comprennent les résistances de sortie en série (courant limite), les diodes de serrage aux rails d'alimentation (passages de chasse) et les diodes Zener pour limiter la tension sur les entrées sensibles d'ampli op. Dans les conceptions où la charge peut être court-circuitée, une résistance à courant limite ou un circuit dédié de limite d'intensité au moyen d'un transistor peut empêcher la destruction.

Essais et optimisation

Essais de petits signaux

Avant de connecter une charge, testez l'amplificateur avec une onde sinusoïdale de faible niveau d'un générateur de signal. Utilisez un oscilloscope pour observer la forme d'onde de sortie; recherchez des signes de distorsion (clippage, artefacts croisés) et mesurez le gain. Vérifiez que la bande passante correspond aux calculs de conception en balayant la fréquence d'entrée. Un analyseur de spectre peut détecter la distorsion harmonique; la distorsion harmonique totale (THD) devrait être bien inférieure à 0,1% pour la plupart des petites applications de signal.

Essai de charge

Après vérification de la linéarité avec de petits signaux, raccordez la charge prévue (par exemple, un haut-parleur 8 Φ ou un câble 50 Φ). Surveillez la balance de tension et le tirage du courant. Mesurez la température des transistors de sortie avec une caméra thermique ou un thermocouple. Si le dispositif surchauffe, réduisez le biais quiescent ou augmente le drainement de chaleur.

Mesure du bruit

Pour mesurer le bruit de sortie, il faut réduire l'entrée au sol (par une résistance égale à l'impédance de la source) et mesurer la tension de sortie des rms avec un voltmètre ac ou un oscilloscope. Comparez le résultat avec le bruit estimé de la feuille de données de l'ampli op. Si le bruit est excessif, envisagez d'ajouter un filtre passe-bas à l'entrée ou de passer à un ampli op. oc.

Conclusion

La conception de circuits d'amplificateurs actifs avec amplificateurs opérationnels pour les applications de petits signaux est un processus enrichissant qui combine la théorie analogique fondamentale et l'ingénierie pratique. En sélectionnant soigneusement l'amplificateur op, en configurant le réseau de rétroaction, en ajoutant une étape de sortie appropriée et en répondant aux exigences de stabilité, de chaleur et de protection, les ingénieurs peuvent créer des amplificateurs qui offrent une amplification propre et à faible distorsion pour une grande variété de systèmes.

- Oui.

Références

  1. Texas Instruments, -Op Amps for Everyone, , , 4e édition, 2018. https://www.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf
  2. Dispositifs analogiques, ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  3. ON Semiconductor, -A simple amplificateur audio utilisant des amplificateurs et des transistors d'op, -Note d'application AND8023. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8023-D.PDF