Ampli op en alimentation simple

L’amplificateur opérationnel, dont nous avons déjà parlé (notamment pour la conception d’une pédale de boost pour guitare) est un composant énormément présent dans les circuits de nos pédales de guitares, au même titre que le transistor. Et en général, une seule pile 9V suffit pour l’alimenter. Mais il faut en fait savoir qu’il est normalement conçu pour fonctionner en alimentation double (ou bipolaire, ou symétrique), il faudrait donc utiliser une seconde pile 9V pour l’alimenter à la fois en +9V et -9V. Il est donc possible de désigner le circuit pour utiliser l’ampli op en alimentation simple et ce design est en général utilisé dans nos pédales. Le but de cet article est de vous donner quelques explications sur le circuit utilisant l’ampli op en alimentation simple, ce qui vous aidera à comprendre pas mal de circuits que vous rencontrerez, comme par exemple la pédale de distorsion RAT.

Nous allons d’abord voir ce qu’est la structure d’un amplificateur en général, puis les deux montages amplificateurs en alimentation symétrique. Enfin nous verrons le montage de l’ampli op en alimentation simple et les précautions qu’il faut prendre au niveau du choix des composants pour réduire le bruit audio généré par ceux-ci.

1 Structure générale d’un circuit d’amplification

Nous avons représenté sur la figure suivante le principe de fonctionnement d’un montage amplificateur (qui peut inclure un transistor ou un amplificateur opérationnel). Cette figure est inspirée de la référence [1]. L’idée est simple, on veut en sortie un signal amplifié, qui dépend du signal d’entrée. Pour que ceci soit possible, le montage est doté d’une alimentation qui est une source de tension continue. Celle-ci donne la puissance nécessaire à l’amplificateur pour polariser le composant à son point de repos (voir plus loin).

Schéma de principe de l'amplificateur
Schéma de principe de l’amplificateur

Les signaux d’entrée et de sortie sont des signaux alternatifs, c’est-à-dire qui dépendent du temps. C’est en général le signal alternatif que l’on veut amplifier, et non le signal continu permettant la polarisation des composants actifs.

L’amplificateur est dit linéaire si le signal s(t) est proportionnel à e(t), c’est-à-dire si le gain est constant. Dans le cas contraire, on a une modification du signal d’entrée en sortie ce qui conduit à une saturation (qui peut bien entendue être voulue, comme dans le cas d’une fuzz, ou d’une distortion !!)

Symbole de l'amplificateur opérationnel
Symbole de l’amplificateur opérationnel

Dans cet article nous nous intéressons à la partie alimentation d’un ampli op : comment passer d’une alimentation double à un ampli op en alimentation simple. Nous allons d’abord revoir les deux montages amplificateurs de l’ampli op en alimentation double.

2 Montage inverseur et non inverseur de l’ampli op

2.1 Description des deux montages

Ici nous nous intéressons au cas où il y a une boucle de contre-réaction entre la sortie de l’ampli op et l’entrée inverseur par une résistance nommée R2 sur le schéma suivant. Cette boucle permet de contrôler la valeur du gain d’amplification, comme nous allons le voir dans les formules. Dans d’autre montages comme les comparateurs, la boucle de contre-réaction se fait sur l’entrée non inverseur, conduisant à un comportement différent de l’ampli op. On constate également la présence d’une deuxième résistance R1 connectée à R2.

Montages amplificateur de l'amplificateur opérationnel : non inverseur à gauche et inverseur à droite.
Montages amplificateur de l’amplificateur opérationnel : non inverseur à gauche et inverseur à droite.

La différence entre montage non inverseur et inverseur se fait au niveau du signal d’entrée, selon qu’on le connecte sur l’entrée non inverseur ou l’entrée inverseur. Enfin, on voit que l’ampli op est polarisé par deux générateurs de tensions, un à +9V sur sa borne positive et l’autre à -9V sur sa borne négative.

2.2 Comparaison entre les deux types de montage amplificateur

Alors pourquoi y a t’il ces deux types de montages, inverseur et non inverseur me direz-vous ? En regardant l’expression du gain des deux montages, on va trouver des différences. En effet, on peut calculer que dans le cas non inverseur le gain G définit par Vs(t)/Ve(t) vaut :

Gain_{ninv}=1+\frac{R_2}{R_1}

Et dans le cas inverseur le gain vaut :

Gain_{inv}=-\frac{R_2}{R_1}

On voit que le simple ajout de deux résistances nous donne le contrôle sur la valeur du gain de l’ampli op. Et les différences sont les suivantes :

  • le montage inverseur permet d’avoir un gain plus grand ou plus petit que 1. Passons de côté le signe moins. Si on a par exemple R2=10 kohms et R1=1 kohms, G=10k/1k=10. Par contre si R2=1 kohms et R1=10 kohms, G=1k/10k=0.1. Dans le premier cas on a un amplificateur, dans le deuxième cas on a un atténuateur. Dans le cas du montage non inverseur, il n’est pas possible d’atténuer, car le gain sera toujours supérieur à 1. Au minimum on peut avoir un gain de 1, c’est à dire un signal ni amplifié, ni atténué (ce montage existe, il s’appelle montage suiveur et sert pour les adaptations d’impédance).
  • Le signe moins dans la valeur du gain du montage inverseur signifie que le signal en sortie est déphasé de 180º. Cela peut avoir son importance en fonction de ce que l’on veut faire.
  • L’impédance d’entrée du montage non inverseur dépend des caractéristiques de l’ampli op et est très grande. En revanche pour le montage inverseur, elle chute en raison de la présence de R1 entre le signal et l’entrée de l’ampli op. Ceci peut affecter le signal d’entrée et est donc moins avantageux en principe.

Voyons maintenant comment concevoir un amplificateur à ampli op en alimentation simple.

3 Ampli op en alimentation simple

Cela faisait un bout de temps que je cherchais des informations sur l’alimentation symétrique, et j’ai trouvé il y a peu un super article qui décrit les problèmes de bruit et d’instabilité que l’on peut rencontrer et comment y remédier [2]. Cette 3e partie du présent article s’en inspire largement, ainsi que de la référence [3].

3.1 montage inverseur en alimentation simple

Commençons par regarder le montage non inverseur en alimentation simple :

Montage non inverseur de l'amplificateur opérationnel en alimentation simple
Montage non inverseur de l’amplificateur opérationnel en alimentation simple

Le circuit est un peu plus compliqué, mais pas tant que ça ! Remarquons que nous avons maintenant deux condensateurs Cin et Cout. Mais nous allons expliquer pourquoi dans un instant… Le plus important est de voir que l’ampli op est branché maintenant entre +9 V et la masse c’est-à-dire 0 V.

3.2 Principe de fonctionnement

Lorsque l’ampli op est alimenté entre +9 V et -9 V, l’ampli op sort une tension alternative centrée en 0 V qui peut valoir au plus +/- 9 V. Par exemple si en entrée on a +/-10mV et si on a un gain de 10, en sortie on aura +/-100mV, le tout centré en 0 V. Vous me suivez? Regardez par exemple la figure suivante :

e on aura +/-100mV, le tout centré en 0 V. Vous me suivez? Regardez par exemple la figure suivante :

En alimentation double, le signal d'entrée et de sortie oscillent autour de 0 V.
En alimentation double, le signal d’entrée et de sortie oscillent autour de 0 V.

En noir on voit un signal d’entrée qui a 10 mV d’amplitude. En rouge, c’est le signal de sortie qui a 100 mV d’amplitude. Il correspond au signal d’entrée multiplié par 10 (valeur que l’on a choisi pour cet exemple). Les deux sinusoïdes sont centrées autour de l’axe horizontal (des abscisses). L’ampli op travail autour de 0 V parce qu’on l’alimente avec une tension positive et une tension négative.

Maintenant, si on alimente l’ampli op seulement en positif avec l’autre borne à la masse (0 V), l’ampli op ne pourra pas amplifier les signaux négatifs. L’astuce réside à déplacer le potentiel du signal d’entrée entre 0 V et 9 V, à 4,5 V environ. Ainsi la sortie est portée elle aussi à 4,5 V et elle pourra amplifier l’alternance négative. C’est ce que j’ai représenté sur cette figure :

En alimentation simple on va faire osciller le signal d'entrée et de sortie autour d'une valeur moyenne, ici 4,5 V (la moitié de 9 V).
En alimentation simple on va faire osciller le signal d’entrée et de sortie autour d’une valeur moyenne, ici 4,5 V (la moitié de 9 V).

Les deux signaux ont la même amplitude (10 mV et 100 mV). En revanche, ils oscillent autour de 4,5 V.

Ra et Rb ?

Et pour déplacer le signal d’entrée à 4,5 V, on utilise les résistances Ra et Rb. Ces deux résistances créent un pont diviseur de tension. Au-dessus de Ra, la tension vaut 9 V, en dessous de Rb elle vaut 0 V. Et au milieu elle vaut quelque chose entre 0 et 9 V qui dépend de Ra et Rb. Intuitivement on peut comprendre que si Ra=Rb, ce potentiel sera à la moitié de 9 V soit 4,5 V. En pratique, on fera cela en utilisant des résistances assez grandes pour ne pas pomper trop de courant à la batterie. Typiquement on va prendre des valeurs de quelques dizaines d’ohms.

Cin et Cout ?

En entrée de l’ampli op on a donc 4,5 V. En sortie aussi donc. Mais on doit s’affranchir de cette tension constante en sortie de la pédale. Pour la bloquer, on va utiliser un condensateur de liaison, appelé Cout sur le circuit. Ainsi en sortie ne reste que le signal alternatif amplifié, donc les 100 mV de notre exemple. Le rôle de Cin est le même, il bloque le signal continu de 4,5 V (il découple l’ampli op) de ce qui vient avant le montage.

Voilà pour le principe, simple en théorie : on élève la tension d’entrée d’une tension continue qui vaut la moitié de ce qu’on donne en tension d’alimentation, ce qui permet au signal alternatif d’osciller entre les valeurs max 0 V et 9 V autour de 4,5 V.

3.3 Problèmes liés à cette méthode

Cependant, en faisant cela, c’est-à-dire en utilisant un pont diviseur de tension, on met en relation l’alimentation et l’entrée de l’ampli op, ce qui peut générer du bruit et des instabilités (on parle de bruit de « mode commun » et instabilité en sortie due au rejet de l’alimentation « power supply rejection » par l’ampli op). En effet, le problème est que l’alimentation peut avoir des variations au cours du temps, qui vont être amplifiées et vont provoquer un ronronnement indésirable en sortie. De plus si l’alimentation n’est pas bien régulée, l’ampli op va devoir lutter pour garder sa tension de sortie à 4,5 V et ceci peut provoquer d’autres types d’oscillations indésirables elles aussi.

Rin et C2 ?

Pour remédier à cela, afin de découpler le circuit de polarisation de l’alimentation, on va introduire le condensateur C2 et la résistance Rin. Le condensateur C2 est un condensateur de découplage qui permet à l’ampli op de ne plus voir les variations de la tension d’alimentation. Rin permet d’augmenter l’impédance d’entrée de l’amplificateur. Le courant qui passe en Rin est très faible, par conséquent la tension à l’autre bornes de Rin est très proche de 4,5 V. Cette résistance peut valoir 100kohms ou 1Mohms.

3.3 Montage inverseur en alimentation simple

On peut également faire la même chose avec le montage inverseur. Le montage résultant est plus simple :

Montage inverseur de l'amplificateur opérationnel en alimentation simple
Montage inverseur de l’amplificateur opérationnel en alimentation simple

On voit qu’il n’y a plus besoin de Rin ni de Cin, remplacés par R1 et C1.

Cette manière de mettre l’entrée de l’ampli op à 4,5 V est la plus communément utilisée, car c’est la plus économique. Il est cependant possible d’utiliser d’autres alternatives, en remplaçant une des résistances du pont diviseur de tension par une diode Zener, car celle-ci maintient une tension constante à ses bornes lorsqu’elle est polarisée en inverse. Si on veut du 9 V, on peut utiliser les diodes Zener 1N4623 ou 1N4687. Enfin, une solution plus coûteuse consiste à utiliser un régulateur de tension de type ADM663A ou ADM666A.

Conclusion

Voilà un article un peu plus velu que d’habitude, surtout en fin d’article. Si vous avez des questions ou des commentaires, je serai ravi que vous me laissiez un commentaire en bas !

Références

[1] Tahar Neffati, L’électronique de A à Z, Dunod

[2] https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/avoiding-op-amp-instability-problems.html

[3] Denton J. Dailey, Electronics for guitarists, Springer

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