Deux modes de fonctionnement : linéaire et saturé
L'ampli-op fonctionne selon deux modes radicalement différents, le mode linéaire et le mode saturé. Dans les applications de traitement du signal qui sont abordées dans cette séquence, l'ampli-op fonctionnera en mode linéaire. Il nous faut d'abord une règle pour reconnaître au premier coup d'œil si l'ampli-op fonctionne en mode linéaire ou saturé. Sauf cas subtil, la règle est plutôt simple. Si la sortie n'est pas rebouclée sur les entrées alors l'ampli-op fonctionne en mode saturé. La moindre différence de tension sur les deux entrées résultent en une tension importante sur la sortie en raison du gain différentiel très grand. Toutefois, la tension de sortie ne peut pas être plus grande que les tensions d'alimentation. La sortie va saturer à des valeurs proches de VCC+ ou VCC- selon le signe de 
. En ce sens, l'ampli-op peut fonctionner en simple comparateur qui délivre une tension binaire selon la relation d'ordre entre les deux entrées. L'ampli-op fonctionne également dans ce mode saturé si la sortie est rebouclée sur l'entrée +. L'ampli-op fonctionne en mode linéaire si la sortie est rebouclée uniquement sur l'entrée -.
Comme la suite de la séquence va être consacrée uniquement à des applications en mode linéaire, nous évoquons quand même le mode saturé sur un exemple qui est une application très classique et qui illustre l'intérêt et la flexibilité de ce composant, sorte de couteau suisse de l'électronique. Le lecteur pourra se contenter d'une compréhension assez qualitative du fonctionnement du circuit pour sa culture générale. Il lui est toutefois loisible de l'étudier plus avant notamment à l'aide de la simulation sous PSpice.
La figure suivante montre le schéma de ce qu'on appelle le multivibrateur astable à ampli-op. La figure est issue du logiciel de simulation. On se contente ici de la description qualitative du fonctionnement du montage. L'étudiant est encouragé à manipuler le montage avec le logiciel de simulation pour s'approprier son fonctionnement.
Fonctionnement : la sortie est rebouclée par l'intermédiaire de R3 sur l'entrée non inverseuse et partant, l'ampli-op fonctionne en mode saturé. La sortie ne peut ainsi prendre que les deux valeurs dites de saturation, soit des valeurs proches de VCC+ ou VCC- selon le signe de 
. Il faut noter que lorsque la sortie est égale à VCC+, dans la mesure où les résistances R3 et R4 fonctionnent en diviseur de tension parce que le courant absorbé par l'entrée non inverseuse est nul, alors V+e vaut VCC+/2. De façon analogue quand la sortie vaut VCC-, la tension sur l'entrée non inverseuse vaut alors VCC-/2. Comme l'ampli-op fonctionne en mode saturé, c'est à dire en comparateur, la sortie vaudra VCC+ ou VCC- selon la tension sur l'entrée inverseuse comparée aux deux seuils VCC+/2 et VCC-/2. Pour conclure sur ce point, il faut comprendre que l'ampli-op fonctionne comme comparateur à deux seuils respectivement VCC+/2 et VCC-/2, soit par exemple, +7,5 V et -7,5 V.
On s'intéresse à présent au bouclage de la sortie sur l'entrée inverseuse. On reconnaît ici un circuit RC (en fait deux circuits à cause des deux diodes D1 et D2). Quand la sortie vaut VCC+, le condensateur C1 se charge à travers la résistance R1, la charge aux bornes du condensateur croît jusqu'à ce que la tension sur l'entrée inverseuse atteint le seuil de comparaison VCC+/2. Quand la tension sur l'entrée inverseuse dépasse ce seuil, l'ampli-op commute et la sortie passe quasi instantanément à VCC-. Dès lors, le condensateur C1 se décharge mais cette fois à travers R2. Ainsi, la tension aux bornes du condensateur décroît et ce, jusqu'à atteindre le seuil de comparaison négatif à VCC-/2. Quand la tension aux bornes de l'entrée inverseuse passe sous ce dernier seuil, l'ampli-op commute à nouveau et repasse à VCC+. Le condensateur repart dans un cycle de charge et ainsi de suite. Une valeur de sortie entraîne une évolution (charge ou décharge) qui conduit à une commutation (par dépassement des seuils symétriques) qui entraîne à son tour l'évolution complémentaire (charge et décharge se succèdent). On dit du montage qu'il est astable. Les deux diodes D1 et D2 permettent de distinguer le circuit de charge (R1C1) du circuit de décharge (R2C1), d'où deux constantes de temps différentes. Les durées des états haut (VCC+) et bas (VCC-) sont ainsi différentes et la tension de sortie est un signal rectangulaire à rapport cyclique (le rapport entre la durée à l'état haut et la période du signal) réglé par les valeurs respectives de R1 et R2.
Présentation du logiciel Pspice
Utilisation de l'outil présenté au multivibrateur.
Le lien ci-dessous permet de télécharger le fichier PSpice du multivibrateur astable à sortie symétrique.
Le lien ci-dessous permet de télécharger le fichier PSpice du multivibrateur astable à sortie asymétrique.
