Guide de disposition des amplificateurs opérationnels pour la réduction du bruit dans votre circuit imprimé

Je me souviens d’une époque où je m’acharnais à monter une chaîne stéréo avec des haut-parleurs amplifiés pour obtenir le son parfait. C’est là qu’on réalise tous les effets dévastateurs que l’excès de puissance et les amplificateurs à plusieurs étages peuvent avoir sur votre musique préférée. Et qu’on réalise surtout à quel point les amplificateurs opérationnels jouent un rôle fondamental. Les amplificateurs opérationnels sont des dispositifs particulièrement utiles dans la conception de circuits imprimés et ils constituent la base de nombreux dispositifs qui rendent la vie moderne possible. Les amplificateurs opérationnels sont des composants analogiques, ils peuvent de ce fait être très sensibles au bruit. Si vous voulez vous assurer que vos signaux sont exempts de bruit, vous devez suivre les bonnes directives de disposition des amplificateurs opérationnels pour votre prochain circuit imprimé.

Voici quelques conseils que vous pouvez utiliser pour vous assurer que vos circuits analogiques seront exempts de bruit et que vos amplificateurs opérationnels fonctionneront comme prévu.

1. Utilisez un condensateur de dérivation
2. Faites attention à la capacité parasite entre les broches de sortie et d'entrée
3. Éliminez la chaleur des amplificateurs à haute puissance
4. Séparez les composants analogiques et numériques.

Principes de base des amplificateurs opérationnels

Les amplificateurs opérationnels sont des composants de conditionnement du signal capables de filtrer et d'amplifier les signaux grâce à une opération arithmétique de base. Un amplificateur opérationnel possède trois bornes : une entrée inverseuse, une entrée non inverseuse et une sortie qui constitue la base de nombreuses configurations. La sortie est simple, ce qui signifie qu'elle est référencée à un certain niveau de masse dans votre circuit imprimé. C'est normalement le plan de masse analogue le plus proche. Cependant, des amplis-ops différentiels sont également disponibles pour travailler avec des paires différentielles.

Tous les amplificateurs opérationnels présentent les caractéristiques suivantes : un gain élevé en boucle ouverte, une impédance d'entrée élevée, une faible impédance de sortie et une bande passante limitée. Un amplificateur typique peut avoir un gain de 10 000 ou plus. L'impédance d'entrée est inférieure à 100 ohms et l'impédance de sortie est généralement d'au moins 0,25 MOhm. Un amplificateur typique peut avoir un gain de 10 000 ou plus. L'impédance d'entrée est inférieure à 100 ohms et l'impédance de sortie est généralement d'au moins 0,25 MOhm.

Les amplis-ops ont des règles de fonctionnement assez simples. Si vous appliquez une tension positive à l'entrée non-inverseuse, l'amplificateur opérationnel produira une oscillation positive à la sortie. De même, si vous appliquez une tension positive à l’entrée inverseuse, une oscillation négative se produira à la sortie. Concrètement, la sortie est proportionnelle à la différence entre les tensions des deux entrées.

Le gain est obtenu en ajoutant une boucle de rétroaction entre la sortie et l'une des entrées. La rétroaction CC n'implique que des résistances, tandis que des inducteurs ou des condensateurs sont utilisés pour créer une rétroaction avec un gain dépendant de la fréquence. La liste des applications des amplificateurs opérationnels est infinie, mais les plus courantes sont les comparateurs de tension, les redresseurs actifs, les filtres de signaux et les suiveurs de tension.

Directives pour le montage d’amplificateurs opérationnels pour des circuits imprimés

Vous trouverez souvent des amplificateurs opérationnels dont le rôle se situe entre celui d’un composant analogique et celui d’un composant numérique. Parmi les utilisations des amplificateurs opérationnels, vous trouvez l'amplification des signaux analogiques bruts provenant des capteurs avant d'être capturés par un convertisseur A/N dans un microcontrôleur ou un autre circuit. Ils sont également couramment utilisés dans les applications audio. Lorsque vous concevez des amplis-op, il est important de tenir compte des directives suivantes concernant leur agencement :

1. Utilisez un condensateur de dérivation

L'amplificateur opérationnel a besoin d'une tension stabilisée pour produire le bon signal de sortie. Pour supprimer le bruit produit par la commutation de l'alimentation, placez un condensateur de dérivation mis à la terre près de la broche d'alimentation de l'amplificateur opérationnel. Le chemin du condensateur de dérivation entre la broche d'alimentation des amplis-op et la connexion à la terre doit être court.

2. Faites attention au gain en boucle ouverte entre les broches de sortie et d'entrée.

La limite absolue du gain que vous pouvez obtenir d'un ampli-op est le gain en boucle ouverte. C'est le gain que vous obtenez lorsque la résistance est infinie dans la boucle de rétroaction, ou en d'autres termes, lorsqu'il y a un circuit ouvert (pas de résistance). Comme les amplificateurs opérationnels sont conçus pour augmenter les signaux de faible niveau à un niveau plus élevé, rappelez-vous que vous ne pouvez jamais appliquer un gain supérieur à celui de la boucle ouverte et que vous ne pouvez jamais produire plus que la tension du rail. 

3. Éliminez la chaleur des amplificateurs à haute puissance

Lorsque vous utilisez un amplificateur opérationnel puissant, vous devez maintenir une jonction à basse température pour éviter les risques de surchauffe. Des techniques appropriées de dissipation de la chaleur peuvent évacuer l'excès de chaleur, tels que des vias thermiques ou des dissipateurs de chaleur. Des amplificateurs opérationnels à haute puissance peuvent être installés dans des circuits intégrés comprenant un dissipateur thermique fixé à la matrice pour dissiper la chaleur directement à l'intérieur de la carte.

4. Séparez les composants analogiques et numériques

Les techniques de conception appropriées pour les appareils analogiques s'appliquent également aux amplis-ops. Un ampli-op est souvent utilisé pour amplifier un signal de faible puissance avant son introduction dans un convertisseur A/N. Ne placez pas les composants numériques en aval dans la même région que vos autres composants analogiques. Vous éviterez ainsi que le bruit de la section numérique de la carte se couple à la section analogique en amont.

Éviter les erreurs liées à la mise en place d’une ampli-op grâce à un logiciel de conception interactif

La mise en place d'un amplificateur opérationnel peut être un processus long et difficile si vous n’utilisez pas la bonne technologie d’agencement des circuits imprimés. La possibilité d'accéder à l'historique complet de la conception et de personnaliser efficacement l’agencement des composants peut faire la différence entre un schéma non fonctionnel et une conception performante. Il est beaucoup plus facile de concevoir des systèmes analogiques avancés lorsque vous disposez du bon logiciel de conception de circuits imprimés pour vous aider à suivre les directives d'implantation des amplificateurs opérationnels. CircuitStudio^® d'Altium vous aidera à développer une conception thermiquement stable avec une intégration précise et un espacement adéquat entre les composants analogiques et numériques.

Avez-vous besoin d’autres conseils sur la conception des amplificateurs opérationnels ? Parlez-en à un expert Altium.