Brevet FR2577083A1 — publié le 19860808

Amplificateur opérationnel. La présente invention concerne un amplificateur opérationnel. Comme on le sait, des amplificateurs opérationnels sont largement utilisés dans diverses branches de l'électronique, du fait de leurs caractéristiques intrinsèques, de leurs possibilités multiples d'utilisation et de la possibilité d'obtenir des caractéristiques du signal de sortie qui diffèrent en fonction de leur configuration et de leur raccordement à d'autres composants. Une configuration typique (d'inversion) est représentée sur la figure 1, sur laquelle l'amplificateur opérationnel 1 a, au niveau de son entrée non inversante, une tension VL, sa sortie, à la tension V0, est ramenée à l'entrée inversante de l'amplificateur 1 à travers la résistance R2, et le signal d'entrée VIN est appliqué à la même entrée inversante à travers la résistance R1. Un tel amplificateur opérationnel a un comportement sensiblement linéaire à l'intérieur d'une plage de tensionslimitée par des facteurs inhérents à l'amplificateur opérationnel lui-même. Cependant, il est parfois souhaitable de limiter la plage de sortie entre des valeurs réglées à choisir à volonté. Pour obtenir une limitation de la plage de sortie, les 2 c257{ 7083 circuits antérieurs adoptent souvent la solution consistant à monter, en parallèle avec la résistance de retour, deux diodes Zener montées anti-parallèles. En conséquence, aussi longtemps que la tension de sortie est inférieure à la tension de claquage par effet Zener, les diodes de Zener n'interviennent pas et l'amplificateur opérationnel se comporte normalement. Lorsqu'au contraire la tension de sortie tend à dépasser la tension de claquage de l'une ou l'autre des deux diodes de Zener, celle-ci est soumise à un claquage et de ce fait le circuit de retour aura une impédance faible qui réduit le gain et provoque une réduction de la tension de sortie à la valeur de claquage par effet Zener. Cependant, cette approche du problème présente certains inconvénients. En particulier, il est impossible de fixer exactement la ou les tensions limites de la plage de sortie pour deux raisons différentes. En premier lieu, lorsqu'on utilise des diodes de Zener, les tensions de limitation peuvent avoir seulement des valeurs discrètes et ne peuvent pas varier de façon continue en fonction des besoins éventuels. En outre, les tensions de limitation ne peuvent pas être réglées de façon précise du fait de l'étalement des tensions de claquage lors de la fabrication des diodes et elles ne sont pas constantes, du fait de leur dérive avec la température. Bien que l'on connaisse des solutions tendant à réduire la dérive de la tension de claquage par effet Zener en fonction de la température, ces solutions ne résolvent pas le premier problème, ne permettent pas un réglage 3 2577083 précis des limites de tension et par ailleurs elles intro- duisent dans l'amplificateur une complexité de circuits considérable, avec les inconvénients qui en résultent. Compte tenu de cet état de la technique, le but de l'inven- tion est de procurer un amplificateur opérationnel qui peut résoudre le problème rencontré dans les amplifica- teurs antérieurs, dans lequel en particulier les valeurs limites de la plage des tensions de sortie peuvent être réglées de façon précise sans être limitées à des valeurs discrètes préréglées. C'est un but particulier de l'invention de procurer un amplificateur opérationnel qui soit de conception simple et qui puisse être fabriqué aisément en utilisant les techniques de fabrication couramment employées dans ce domaine. Un autre but de cette invention, non moins important, consiste à procurer un tel amplificateur opérationnel amélioré dont la fiabilité de fonctionnement soit maximale. Les buts précédents, ainsi que d'autres qui apparaîtront ultérieu- rement, sont obtenus grâce à l'amplificateur opérationnel selon l'invention, ayant un étage d'entrée différentiel et un étage de sortie d'amplification, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième étage différentiel ayant une première entrée raccordée à la sortie de cet étage d'amplification et une deuxième entrée fixée à un potentiel de référence, ainsi qu'une sortie reliée à cet étage d'entrée de façon à ne pas interférer avec ce dernier lorsque la sortie de l'étage d'amplification est inférieure en valeur absolue au potentiel de référence et de façon à mettre hors service cet étage d'entrée et à le remplacer par le deuxième étage différentiel lorsque la sortie de l'étage d'amplification est égale au potentiel de référence, quel que soit le signal présent à l'entrée de cet étage d'entrée. L'invention sera mieux comprise, à la lecture de la descrip- tion détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, d'une réalisation préférée, en liaison avec le dessin joint, sur lequel: - la figure 1 est un schéma électrique équivalent d'un amplificateur opérationnel classique, dans la configuration d'inversion; - la figure 2 est un graphique indiquant la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée avec l'amplifica- teur opérationnel selon l'invention; - la figure 3 est un schéma-bloc équivalent de l'amplifica- teur opérationnel selon l'invention; - la figure 4 est un schéma électrique équivalent de l'ampli- ficateur selon l'invention; et - la figure 5 est un schéma électrique équivalent de l'ampli- ficateur de la figure 4 pour des conditions de fonctionnement suivant la limitation de la plage de sortie. La figure 1 est un schéma-bloc de l'amplificateur opération- nel classique pour lequel on souhaite une limitation de la plage de sortie, par ekemple selon le graphique de la figure 2, sur lequel la tension de sortie V0 est limitée entre les valeurs VL-VREF et VL+VREF- Pour obtenir un tel comportement de la tension de sortie, selon l'invention, un étage d'amplificateur opérationnel conventionnel 1' (représenté sur la figure 3 comme compor- tant un étage différentiel d'entrée 10 et un étage d'ampli- fication de sortie 11 montésen cascade) comporte deux étages différentiels additionnels 12 et 13. En particulier, l'étage différentiel 12 a une entrée rac- cordée à un potentiel de référence (par exemple +VREF) et l'autre entrée raccordée à la sortie V0 de l'étage de sortie 11. De même, l'étage différentiel 13 a une entrée raccordée à un deuxième potentiel de référence -VREF et la deuxième entrée raccordée à la sortie V0 de l'étage d'amplification de sortie 11. Les sorties des étages différentiels 12 et 13 sont raccordées à l'étage différentiel 10 de l'amplificateur et le contrôlent de façon à ne pas interférer avec son fonctionnement lors- que la tension de sortie V0 se trouve à l'intérieur de la plage définie par les tensions de référence (rapportées à la tension VL présente à l'entrée non inversante de l'étage différentiel 10) et pour mettre hors circuit et remplacer électriquement l'étage différentiel 10 (en amenant à l'entrée de l'étage d'amplification 11 la tension de sortie de l'étage différentiel 12 ou 13) lorsque la tension de sortie V0 atteint la tension de référence VREF ou -VREF. Après ce remplacement, l'amplificateur opérationnel sera donc constitué par un étage différentiel (12 ou 13) et un étage d'amplification 11 réagissant l'un avec l'autre d'une manière totale (dans la configuration suiveur de tension), ce qui maintient à la sortie la tension de référence appliquée à cet étage différentiel 12 ou 13 qui est en service à chaque moment. Le schéma-bloc de la figure 3 est traduit en circuit comme on le voit sur la figure 4. En particulier, on a fait ressortir sur cette figure en les encerclant par une ligne en tirets l'étage amplificateur opérationnel 1' et les étages différentiels 12 et 13. En détail, l'étage amplificateur opérationnel 1' comprend une paire de transistors 21 et 22 avec des émetteurs couplés polarisés par la source de courant I. 6 2577083 La base du transistor 21 représente l'entrée inversante de l'amplificateur opérationnel, tandis que la base du transistor 22 représente l'entrée non inversante de l'ampli- ficateur opérationnel. Le collecteur de l'amplificateur opérationnel 21 est raccor- dé à une diode 23, tandis que le collecteur du transistor 22 est raccordé au collecteur d'un transistor 24 raccordé par sa base à l'anode de la diode 23 et également par son collecteur à un transistor 25 et à une capacité 26. L'amplificateur opérationnel est complété par les transistors 27, 28 et 30, la diode 29 et des sources de courant. Cette disposition est bien connue de l'homme de l'art et ne nécessite aucun commentaire supplémentaire. En ce qui concerne les étages différentiels 12 et 13,il existe également des types conventionnels et chacun a une paire de transistors dont les émetteurs sont couplés et qui sont polarisés par les sources de courant 2 I. En particulier, le transistor 31 de l'étage différentiel 13 a son collecteur mis à la terre, tandis que sa base est amenée à un premier potentiel de référence, notamment -VREF. Le premier transistor 32 de la paire formant l'étage diffé- rentiel 13 est contrôlé au niveau de sa base par la tension de sortie Vo0, tandis que son collecteur est raccordé au collecteur du transistor 21 et à l'anode de la diode 23 ainsi qu'à la base du transistor 24. Le transistor 33 de l'étage différentiel 12 a également son collecteur mis à la terre et sa base raccordée à la base du transistor 32 et à la sortie de l'étage d'amplifica- tion et de ce fait de l'amplificateur opérationnel lui- même. 7 2577083 L'autre transistor 34 de la paire formant l'amplificateur différentiel 12 a sa base amenée à un deuxième potentiel de référence VREF, tandis que son collecteur est raccordé aux collecteurs du transistor 22 et du transistor 24 de l'étage 1', à la base du transistor 25 et à la capacité 26. Du fait de ces raccordements, aussi longtemps que la tension de sortie V0 est comprise entre -VREF-et VREF, les étages limiteurs, constitués par les différentiels 12 et 13, sont inactifs, du fait que, compte tenu de la polarisation existante, les transistors 32 et 34 sont hors circuit et les transistors 31 et 33 déchargent à la terre le courant de polarisation fourni par les sources 2I. Supposons-maintenant que la tension de sortie approche de la valeur limite supérieure de VREF. Lorsque cette tension limite est atteinte, le transistor 34 est également polarisé en sens direct et continue à conduire, et, si la tension de sortie V0 continue à aug- menter et atteint une valeur de 50 à 60 mV supérieure à VREF, le transistor 33 se coupe et le transistor 34 conduit le courant de polarisation 2I à travers l'étage différentiel d'entrée. Dans cette situation, l'étage différentiel 12 exclut l'étage différentiel d'entrée et constitue par lui-même l'étage différentiel de commande de l'amplificateur opérationnel. Dans cette phase, l'étage différentiel d'entrée, constitué par la paire de transistors 21 et 22,peut être représenté par une source de courant qui absorbe un courant constant de valeur I, comme il est représenté dans le circuit équiva- lent de la figure 5 o , en fait, l'étage différentiel d'entrée initial, formé par les transistors 21 et 22, a..été remplacé par la source 40 et ou l'étage différentiel 13 a été négligé, car il n'intervient pas dans cette phase. 8 2577083 Apres cette exclusion, et après le remplacement fonctionnel par le différentiel 12, le circuit équivalent (représenté sur la figure 5) apparaît être celui d'un amplificateur' opérationnel, dans lequel l'étage différentiel est constitué par des transistors 33 et 34 et qui apparaît être bouclé d'une manière totale avec la tension VREF à l'entrée non inversante. En conséquence, ce circuit produit une tension constante-égale à VREF (rapportée à la tensionVL). Un comportement similaire a lieu si la tension de sortie V0 diminue jusqu'à la valeur -VREF. Dans ce cas, l'étage différentiel formé par les transistors 21 et 22 est exclu et remplacé par l'étage différentiel 13', pour obtenir un circuit équivalent à celui de la figure 5, avec la différence que la tension de référence est égale à -VREF, qui représente donc également la tension de sortie constante. Comme on peut le voir dans la description précédente, l'invention atteint pleinement les buts qu'elle s'est fixés. En fait, il a été réalisé un amplificateur opérationnel dont la plage de sortie peut être limitée à volonté entre deux valeurs, en sélectionnant de façon appropriée les valeurs limites +VREF, -VREF. Bien entendu, le cas décrit dans lequel les deux valeurs limites sont identiques et de signe opposé n'est donné qu'à titre d'exemple, et les limites supérieure et inférieure de la tension de sortie peuvent être asymétriques par rapport à la tension VL à l'entrée non inversante de l'ampli- ficateur opérationnel. En outre, l'amplificateur opérationnel selon l'invention est extrêmement simple et se fabrique aisément, et il peut en particulier être intégré sans difficulté. L'invention est susceptible de nombreuses modifications 9 2577083 et de nombreuses variations, toutes tombant à l'intérieur de la portée du concept inventif. En particulier, si on ne désire qu'une limitation supérieu- re ou qu'une limitation inférieure de la tension de sortie, il suffit de monter seulement un étage différentiel de limitation au lieu des deux représentés dans l'exemple. En outre, tous les détails peuvent être remplacés par leurs équivalents techniques. Revendications. 1. Amplificateur opérationnel ayant un premier étage diffé- rentiel (10) et un étage d'amplification (11) montés en cascade l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un étage différentiel de limitation de plage (12,13) ayant une première entrée raccordée à la sortie (Vo) de l'étage d'amplification (11), une deuxième entrée placée à un potentiel de référence (VREF, -VREF) ainsi qu'une sortie raccordée à la sortie du premier étage différentiel (10), cet étage différentiel de limitation de plage étant inactif lorsque la sortie de l'étage d'amplifi- cation est inférieure en valeur absolue au potentiel de référence et étant mis en service et fournissant un courant constant à cet étage d' amplification, d'o il résulte que le premier étage différentiel est amené à fonctionner à vide et que l'étage d'amplification est maintenu à une sortie constante, égale au potentiel de référence, lorsque la sortie de l'étage d'amplification est égale à ce potentiel de référence. 2. Amplificateur opérationnel selon la revendication 1, caractérisé par un premier étage différentiel de limita- tion de plage et par un deuxième étage différentiel de limitation de plage (13, 12), chacun ayant une première entrée raccordée à la sortie (Vo0) de l'étage d'amplification (11) et une deuxième entrée raccordée chacune à un potentiel de référence différent (-VREF, +VREF), ces potentiels de référence (-VREF, +VREF) formant les limites, inférieure et supérieure, du signal de sortie de l'amplificateur opérationnel. 3. Amplificateur opérationnel selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier étage différentiel (10) comporte une première paire de transistors (21, 22) dont les émetteurs sont couplés, le collecteur d'un premier transistor (21) de la première paire étant raccordé à une diode (23) et le collecteur d'un deuxième transistor (22) de la première paire étant raccordé à un autre transistor (24), le premier et le deuxième étage différentiel de limitation de plage (13, 12) comportant respectivement une deuxième et une troisième paire de transistors (31, 32; 33, 34) dont les émetteurs sont couplés, caractérisé en ce que le collecteur d'un premier transistor (31) de la deuxième paire est mis à la terre, que la base du premier transistor (31) de la deuxième paire est raccordée à un premier potentiel de référence (-VREF), que la base du deuxième transistor (32) de la deuxième paire est raccordée à la sortie (Vo0) de l'étage d'amplification (11) et que le collecteur du deuxième transistor (32) de la deuxième paire est raccordé au collecteur du premier transistor (21) de la première paire, et en ce que le collecteur d'un premier transistor (33) de la troisième paire est mis à la terre, que la base du premier transistor (33) de la troisième paire est raccordée à la sortie (V0) de l'étage d'amplification (11), que la base d'un deuxième transistor (34) de la troisième paire est raccordée à un deuxième potentiel de référence (+VREF) et que le collecteur du deuxième transistor (34) de la troisième paire est raccordé au collecteur du deuxième transistor (22) de la première paire.