Configurations de base des amplificateurs : l’amplificateur inverseur

Inversion du signal

Nous avons appris dans une vidéo précédente que la borne d’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel constitue un moyen pratique de mettre en œuvre une rétroaction négative. Cependant, nous pouvons également utiliser cette borne pour créer un amplificateur qui amplifie et inverse simultanément le signal d’entrée. Voici le circuit:

L’inversion correspond à un gain négatif en boucle fermée (par exemple, GCL = -10). Comme VOUT = VIN × GCL, un gain négatif fera qu’une tension d’entrée positive deviendra une tension de sortie négative et qu’une tension d’entrée négative deviendra une tension de sortie positive.

En ce qui concerne les signaux électriques, un amplificateur inverseur produit une forme d’onde qui se reflète sur l’axe horizontal. Les exemples ci-dessous traduisent l’effet de l’inversion sur une tension continue bruyante (le tracé de gauche) et un signal sinusoïdal (le tracé de droite).

Lorsque nous travaillons avec des signaux sinusoïdaux, l’inversion peut être décrite en termes de déphasage. Si nous décalons progressivement une sinusoïde de sortie par rapport à une sinusoïde d’entrée, nous finirons par obtenir un signal de sortie dont la valeur minimale coïncide avec la valeur maximale du signal d’entrée. Ainsi, l’inversion d’une sinusoïde crée effectivement 180° de déphasage.

Pourquoi nous utilisons la configuration inverse

L’approche plus intuitive de l’amplification est un circuit non inverseur. Si le but est simplement d’appliquer un gain, pourquoi voudrions-nous modifier la polarité du signal ?

Dans certains cas, l’inversion elle-même est souhaitable. Par exemple, si une petite tension négative doit être numérisée par un convertisseur analogique-numérique qui ne peut pas traiter les signaux qui s’étendent sous la terre, la configuration inverseuse de l’amplificateur opérationnel amplifierait le signal et établirait une polarité correcte.

Dans d’autres cas, l’inversion n’est pas nécessaire, mais elle n’est pas non plus problématique, et nous utilisons l’amplificateur inverseur parce qu’il offre des performances ou des fonctionnalités qui ne sont pas disponibles avec l’amplificateur non inverseur. Par exemple, la configuration inverseuse peut réduire la distorsion du signal, et elle permet d’atténuer un signal (avec la configuration non inverseuse, le gain minimum est l’unité).

Comprendre l’amplificateur inverseur

Comme pour l’amplificateur non inverseur, nous pouvons utiliser des techniques d’analyse de circuit standard pour déterminer la relation entre la tension d’entrée et la tension de sortie d’un amplificateur inverseur à amplificateur opérationnel.

1. La borne d’entrée non inverseuse est reliée directement à la masse. Cela signifie que nous avons 0 V à la borne non-inverseuse et à la borne inverseuse. (Si cette affirmation est un peu confuse pour vous, jetez un coup d’œil à l’article d’AAC sur l’hypothèse de court-circuit virtuel.)
2. VIN est appliqué à R1 et génère un courant de VIN/R1 circulant vers la borne d’entrée inverseuse.
3. Puisque nous supposons que le courant ne peut pas circuler dans la borne d’entrée, tout ce courant voyage autour de l’amplificateur opérationnel et circule vers le nœud de sortie à travers R2. La chute de tension aux bornes de R2 sera VINR2/R1.
4. Le côté gauche de R2 est à 0 V, et puisque le courant circule de gauche à droite, la tension du côté droit de R2 doit être inférieure à la tension du côté gauche. Ainsi, la tension au noeud de sortie sera de 0 V moins la chute de tension aux bornes de R2 : VOUT = 0 – VINR2/R1.

Sur la base de cette analyse, nous pouvons exprimer le gain en boucle fermée (GCL) de la configuration inverseuse comme suit :

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Notez que cela diffère du GCL de la configuration non-inverseuse de deux façons. La première est le signe négatif, qui reflète le fait que le gain est toujours négatif (car le rapport des deux résistances sera toujours positif). Deuxièmement, le GCL pour l’expression inverseuse n’a pas le terme  » 1 + « , et cela indique (comme mentionné ci-dessus) que le gain d’un amplificateur inverseur op-amp peut être inférieur à l’unité.

Récapitulation

• La configuration inverseuse op-amp, comme la configuration non-inverseuse, ne nécessite qu’un amplificateur opérationnel et deux résistances.
• La configuration inverseuse crée un gain négatif, ce qui signifie qu’un circuit peut à la fois amplifier un signal et changer sa polarité de positive à négative ou de négative à positive.
• L’ampleur du gain est déterminée par le rapport entre les deux valeurs de résistance.