Pratiquement tous les amplificateurs opérationnels ont la même structure interne : ce sont des circuits monolithiques dont une « puce » de silicium constitue le substrat commun. Ils comportent en entrée un amplificateur différentiel suivi d'un étage adaptateur d'impédance ; l'amplificateur de sortie, de type push-pull, fonctionne en classe B. Toutes les liaisons sont directes.
Ce sont des amplificateurs différentiels qui sont caractérisés par :
-
Un gain en tension très important : \mu_D=\mu\approx10^5 \,à\, 10^7.
-
Une impédance d'entrée très grande : R_E\approx10^5\,à\,10^{12} \Omega.
-
Une impédance d'entrée de mode commun très grande : R_{EMC}\approx10^8 \,à \,10^{12}\Omega.
-
Une impédance de sortie faible : R_S\approx10 \,à\, 500\,\Omega.
-
La rejection du mode commun \left(\mu_D/\mu_{MC}\right) est très grande.
-
La réponse en fréquence va du continu jusqu'à des fréquences assez élevées : le produit gain-bande passante peut dépasser 100 MH_Z.
-
Ils possèdent deux entrées notées + (l'entrée non inverseuse) et – (l'entrée inverseuse) mais ont une seule sortie.
-
Ils utilisent, sauf exception, deux alimentations + U et – U, symétriques par rapport à la masse. Ces alimentations seront omises sur les schémas.
Caractéristiques d'amplificateurs d'usage courant
Ce sont des circuits à moyenne intégration. Le circuit équivalent du \muA \,741 contient 24 transistors, 11 résistances et un condensateur.
Modélisation d'un amplificateur opérationnel
On peut utiliser le schéma équivalent de la figure 1 qui met en évidence l'amplificateur différentiel d'entrée et ses résistances.
La tension de sortie d'un amplificateur différentiel est donnée par :
V_S=\mu_{D} \cdot \left(v^+-v^-\right) +½\mu_{MC} \cdot (v^+v^-)
Ces amplificateurs sont conçus pour avoir un gain de mode commun \mu_{MC} aussi faible que possible afin de ne pas amplifier les signaux présents sur les deux entrées à la fois (mode commun) et qui correspondent en général à un bruit parasite.
Saturation des amplificateurs opérationnels
La tension de sortie peut varier entre les valeurs extrêmes +V_{Sat} et –V_{Sat} (tensions de saturation) qui sont légèrement inférieures aux tensions d'alimentation. Le gain étant très grand, la saturation de la sortie est obtenue pour des tensions d'entrée très faibles. Avec V_{Sat} = 12 V et \mu=10^5,\varepsilon=v^+-v^-=0,12mV.
Dans les montages amplificateurs, l'amplificateur opérationnel ne sera jamais utilisé en boucle ouverte afin de le pas atteindre la saturation