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Amplificateur opérationnel vs comparateur : les différences

Tous deux ont le même symbole triangulaire et amplifient fortement la différence de tension entre deux entrées, mais ils ne sont pas conçus dans le même but. L’amplificateur opérationnel est prévu pour être utilisé avec une contre-réaction : il intègre une compensation de phase pour ne pas osciller et fait varier sa sortie de façon continue, comme une tension analogique. Le comparateur s’utilise en boucle ouverte et est conçu pour indiquer rapidement, par un niveau binaire H ou L, laquelle de deux tensions est la plus grande ; il n’a pas de compensation de phase et sa sortie se raccorde facilement à de la logique. C’est pourquoi un amplificateur opérationnel utilisé comme comparateur est lent, et un comparateur muni d’une contre-réaction a tendance à osciller.

CritèreAmplificateur opérationnelComparateur
Usage principalAvec contre-réaction ; le gain et la réponse en fréquence sont fixés par des résistances et des condensateurs externesEn boucle ouverte (ou avec une réaction positive pour l’hystérésis), pour déterminer quelle tension est la plus grande
SortieTension analogique variant de façon continue avec l’entréeBinaire, H ou L. Normalement saturée d’un côté ou de l’autre
Étage de sortiePush-pull. Il existe des modèles rail-to-rail dont la sortie s’approche des tensions d’alimentationOpen drain (collecteur ouvert) ou push-pull adapté aux niveaux logiques
Compensation de phaseIntégrée. De nombreux modèles n’oscillent pas même avec une contre-réaction donnant un gain de 1Absente. Il commute d’autant plus vite
Indicateurs de rapiditéProduit gain-bande passante (GBW) et vitesse de balayage (slew rate)Temps de propagation (de quelques ns à quelques µs selon le modèle) et temps de montée et de descente de la sortie
Sortie de saturationNon prévu pour fonctionner en saturation. La récupération peut être longue et n’est généralement pas spécifiéeConçu pour saturer et basculer de façon répétée, et commute rapidement
HystérésisNormalement non utiliséeRéaction positive par des résistances externes ou modèle à hystérésis intégrée, pour éviter que la sortie oscille à cause du bruit
EntréesLa contre-réaction maintient les deux tensions d’entrée presque égales (court-circuit virtuel). Certains modèles ont des diodes de protection entre les entréesPrévu pour qu’une grande différence s’applique entre les entrées. De nombreux modèles admettent une forte tension différentielle
SubstitutionPeut parfois remplacer un comparateur si la lenteur est acceptable et que les niveaux de sortie conviennentNe peut pas remplacer un amplificateur opérationnel. Avec une contre-réaction, il a tendance à osciller
Usages typiquesAmplification, filtres, buffers, intégrateurs, conditionnement de signaux de capteursDétection de seuil, détection de passage par zéro, surveillance de tension, CAN flash, génération de PWM

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Amplificateur opérationnel
Pour amplifier un signal sous forme analogique ou réaliser des filtres et des buffers : applications où la sortie varie de façon continue grâce à la contre-réaction.
Comparateur
Pour déterminer rapidement et de façon fiable si une tension dépasse un seuil et transmettre le résultat à de la logique : surveillance de la tension d’une batterie, détection de passage par zéro, comparaisons dans un CAN.
Amplificateur opérationnel en remplacement
Lorsqu’une réponse lente est acceptable et que le niveau de tension de sortie convient au circuit suivant. Vérifiez d’abord dans la fiche technique la plage de tension différentielle d’entrée et le comportement en saturation.

Questions fréquentes

Peut-on utiliser un amplificateur opérationnel à la place d’un comparateur ?

C’est parfois possible si la vitesse n’est pas critique. Mais à cause de la compensation de phase, il commute lentement, met du temps à sortir de saturation, et ses tensions de sortie H et L ne conviennent pas toujours à la logique. Sur les modèles dotés de diodes de protection entre les entrées, une forte tension différentielle fait circuler un courant : il faut y prendre garde.

Que se passe-t-il si l’on applique une contre-réaction à un comparateur ?

Dans la plupart des cas, il oscille. Le comparateur n’a pas de compensation de phase afin de commuter rapidement, si bien que la marge de phase de la boucle de contre-réaction est insuffisante. Pour l’amplification et les usages similaires, on utilise un amplificateur opérationnel.

Pourquoi ajouter de l’hystérésis à un comparateur ?

Parce que si l’entrée varie lentement autour du seuil, un léger bruit peut faire basculer la sortie de nombreuses fois entre H et L. En décalant par réaction positive le seuil de montée et le seuil de descente (trigger de Schmitt), la sortie ne bascule qu’une seule fois.

Pourquoi les comparateurs ont-ils souvent une sortie open drain ?

Parce qu’en choisissant la tension de pull-up, on peut raccorder directement la sortie à une logique fonctionnant sous une autre tension que celle du comparateur. On peut aussi regrouper les sorties de plusieurs comparateurs sur une même ligne, qui passe à L dès que l’un d’eux réagit (ET câblé).

Vérifier vos connaissances

Quelle est la fonction d'un comparateur ?

  1. AIntégrer la tension d'entrée dans le temps
  2. BComparer deux tensions d'entrée et délivrer le résultat sous forme binaire (H ou L)
  3. CDélivrer une tension proportionnelle à la tension d'entrée
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Réponse : B. Comparer deux tensions d'entrée et délivrer le résultat sous forme binaire (H ou L)

Le comparateur détermine laquelle de deux tensions d'entrée est la plus grande et délivre l'une des deux valeurs H ou L. Contrairement à l'amplificateur opérationnel, il est conçu pour fonctionner sans contre-réaction et sortir rapidement de saturation, et se connecte directement à la logique, par exemple via une sortie à drain ouvert. Il sert à la décision dans les CAN, à la surveillance de surtension et de sous-tension et à la détection de passage par zéro. Une hystérésis lui est parfois ajoutée pour éviter que le bruit ne fasse basculer la sortie de façon erratique.

Comment appelle-t-on la propriété par laquelle les tensions des deux entrées d'un montage à amplificateur opérationnel idéal à contre-réaction sont quasiment égales ?

  1. AVitesse de balayage
  2. BOffset
  3. CCourt-circuit virtuel
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Réponse : C. Court-circuit virtuel

Lorsqu'une contre-réaction est appliquée à un amplificateur de gain en boucle ouverte A très élevé, la sortie s'équilibre à une valeur finie et la différence de tension entre entrées vaut Vout/A, quasiment 0. Comme les entrées semblent court-circuitées sans l'être réellement, on parle de court-circuit virtuel ; si l'entrée non inverseuse est à la masse, l'entrée inverseuse peut être considérée à 0 V (masse virtuelle). C'est la base de l'analyse des montages à amplificateur opérationnel, mais elle ne s'applique pas en saturation de sortie ni dans les montages à réaction positive (comparateurs).

Quel circuit présente des seuils différents selon que l'entrée monte ou descend, empêchant le bruit de faire basculer la sortie de façon erratique ?

  1. APLL
  2. BÉchantillonneur-bloqueur
  3. CTrigger de Schmitt
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Réponse : C. Trigger de Schmitt

Le trigger de Schmitt utilise un seuil haut lorsque l'entrée monte et un seuil bas lorsqu'elle descend, l'écart constituant l'hystérésis. Même avec un signal lent ou bruité, il empêche la sortie de commuter à répétition au voisinage du seuil (rebonds). Il se réalise en appliquant une réaction positive à un comparateur et existe aussi en circuit logique, comme le 74HC14. Il sert aussi à la mise en forme des entrées d'interrupteurs et aux oscillateurs RC (à relaxation).

  1. Quel est le principe de la « compensation par pôle dominant » utilisée pour la compensation en fréquence des amplificateurs opérationnels ?
  2. Quelle est la signification de la vitesse de balayage (slew rate) d'un amplificateur opérationnel ?
  3. Quel indicateur permet de juger si un amplificateur à contre-réaction fonctionne de façon stable sans osciller ?

Questions d'entraînement sur Circuits analogiques et électroniques

Termes clés expliqués

Amplificateur opérationnel (ampli-op)
Amplificateur à entrée différentielle et à gain très élevé. Utilisé avec une contre-réaction pour réaliser des amplificateurs, des filtres, etc.
Comparateur
Circuit qui compare deux tensions d'entrée et fournit le résultat sous forme binaire H ou L. C'est aussi un élément de base des convertisseurs analogique-numérique.
Contre-réaction
Réinjection d'une partie de la sortie vers l'entrée avec une polarité opposée. Le gain diminue, mais il se stabilise et la distorsion ainsi que la bande passante s'améliorent.
Trigger de Schmitt
Circuit dont le seuil diffère selon que l'entrée monte ou descend (hystérésis). Sa sortie ne rebondit pas, même avec des signaux lents ou bruités.
Marge de phase
Marge restante, à la fréquence où le gain de boucle vaut 1 (0 dB), avant que le retard de phase n'atteigne 180°. Faible, la réponse oscille ; nulle ou négative, le circuit oscille. On vise en général au moins 45 à 60°.

Comparatifs associés