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Calculateur de gain et de bande passante Op-Amp

Calculez le gain de tension de l'amplificateur opérationnel, le gain en dB, −3 dB de bande passante et l'impédance d'entrée pour les configurations d'amplificateurs inverseurs, non inverseurs et différentiels.

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Formule

Avnon−inv=1+RfRin,Avinv=−RfRin,f−3dB=GBW1+Rf/RinA_v^{non-inv} = 1 + \frac{R_f}{R_{in}}, \quad A_v^{inv} = -\frac{R_f}{R_{in}}, \quad f_{-3dB} = \frac{GBW}{1 + R_f/R_{in}}

Référence: Horowitz & Hill, The Art of Electronics, 3rd ed.; Kester, ADI MT-033 (noise gain)

Av— Gain de tension (V/V)
Rf— Résistance de rétroaction (R1) (kΩ)
Rin— Résistance d'entrée (R2) (kΩ)
GBW— Produit gain-bande passante (Hz)
f₋₃dB— −3 dB de bande passante (Hz)
Zin— Impédance d'entrée (Ω)

Comment ça marche

Le calculateur de gain d'ampli opérationnel calcule le gain en boucle fermée pour les configurations inversées (G = -Rf/Rin) et non inverseuses (G = 1 + Rf/Rin), essentielles pour le conditionnement du signal, les amplificateurs d'instrumentation et la conception de filtres actifs. Les concepteurs de circuits analogiques, les ingénieurs d'interface de capteurs et les concepteurs audio l'utilisent pour définir des niveaux de gain précis tout en gérant les compromis entre bande passante et bruit. Selon Horowitz & Hill « Art of Electronics » (3e éd., Ch.4), le produit de gain de bande passante (GBW) est constant pour les amplificateurs opérationnels à retour de tension : GBW = gain de bruit × bande passante, le gain de bruit valant 1 + Rf/Rin dans les deux configurations. Un TL072 avec GBW = 3 MHz à gain = 100 a une bande passante de 30 kHz seulement. Pour des gains supérieurs à 10, pensez aux amplificateurs à retour de courant (AD8009 : bande passante de 1 GHz indépendante du gain) ou aux amplificateurs d'instrumentation (AD620 : précision de gain de 0,1 %).

Exemple Résolu

Concevez un amplificateur non inverseur avec un gain = 10 (20 dB) en utilisant un OPA2134 (GBW = 8 MHz) pour une application de préampli audio. Calculez les valeurs des résistances : Rf/Rin = G - 1 = 9. Choisissez Rin = 10kΩ (suffisamment haut pour minimiser le chargement, suffisamment bas pour réduire le bruit). Alors Rf = 90kΩ; utilisez 91kΩ de la série E96. Bande passante : BW = GBW/G = 8 MHz/10 = 800 kHz, suffisante pour un son de 20 Hz-20 kHz avec une marge de 40x. Vérifiez le bruit : bruit d'entrée OPA2134 = 8nV/√Hz; at gain = 10, bruit de sortie = 80nV/√Hz. Bande passante supérieure à 20 kHz : bruit = 80 nV × √20000 = 11.3μV RMS — équivalent à -98,9 dBV, adapté à un son 16 bits (plage dynamique de 96 dB).

Conseils Pratiques

  • ✓Pour des gains de 1 à 10 sur les fréquences audio, la série TL07x (0,30$) offre d'excellentes performances ; pour des gains supérieurs à 100, utilisez des amplificateurs d'instrumentation (INA128 : erreur de gain de 0,02 %)
  • ✓Ajoutez un condensateur de 100 pF sur Rf pour obtenir des gains > 10 afin d'éviter les oscillations. Cela limite la bande passante à 1/(2πRfCf) mais garantit la stabilité conformément à la note d'application TI AN-31
  • ✓Pour l'oscillation de sortie rail-rail, utilisez des amplificateurs opérationnels RRIO (OPA340, MCP6001) : les amplificateurs opérationnels standard se fixent de 1 à 2 V sur les rails d'alimentation sous charge

Erreurs Fréquentes

  • ✗Ignorer les limites de GBW : le réglage du gain = 1000 avec GBW = 1 MHz ne donne qu'une bande passante de 1 kHz ; vérifiez GBW sur la fiche technique avant de sélectionner le gain
  • ✗Utilisation de résistances de 1 % pour un gain de précision : l'erreur de rapport de résistance aggrave l'erreur de gain ; utilisez des résistances de 0,1 % pour une précision de gain de ± 0,1 % ou des réseaux de résistances adaptés
  • ✗Négliger le courant de polarisation d'entrée : un courant de polarisation de 1 nA traversant la résistance de rétroaction 1MΩ 0 crée un décalage de 1 mV ; utilisez des amplificateurs opérationnels à entrée FET (polarisation 10 pA) pour les sources à haute impédance

Foire Aux Questions

Non inverseur : signal à l'entrée V+, gain = 1 + Rf/Rin, impédance d'entrée = impédance d'entrée de l'ampli-op (10⁶-10¹² Ω). Inversion : signal entre V- et Rin, gain = -Rf/Rin, impédance d'entrée = Rin. La méthode non inverseuse est préférable pour les sources à haute impédance ; l'inversion fournit une base virtuelle pour les applications de sommation.
La rétroaction négative définit le gain en boucle fermée indépendamment du gain en boucle ouverte (généralement 10⁵-10⁶). La fraction de rétroaction β = rin/ (Rf+Rin) détermine le gain : G = 1/β pour la non-inversion. Le gain de boucle Aβ > 1000 garantit une erreur de gain inférieure à 0,1 % par rapport à l'idéal. La rétroaction positive provoque des oscillations, à éviter.
Le produit GBW limite la bande passante des petits signaux : BW = GBW/(1 + Rf/Rin), soit le GBW divisé par le gain de bruit, dans les deux configurations. Le taux de balayage limite la bande passante des grands signaux : SR_min = 2πfVpeak. Pour 10Vpeak à 100 kHz : SR > 6.3V/μs. TL072 (SR = 13V/μs) gère cela ; LM358 (SR = 0.5V/μs) ne le fait pas) — la sortie sera triangulaire au lieu d'être sinusoïdale.
Oui, la plupart des amplificateurs opérationnels sont couplés en courant continu avec une bande passante allant jusqu'à 0 Hz. Cependant, la tension de décalage d'entrée (1 à 10 mV typique) et la dérive de décalage (1-20μV/°C) provoquent des erreurs de courant continu. Pour un courant continu de précision : utilisez des amplificateurs opérationnels stabilisés par hacheur (LTC2050 : 3μV offset, dérive de 30 nV/°C) ou des types à zéro automatique (OPA2188).
Adaptez les spécifications aux exigences : GBW > gain × bande passante ; vitesse de balayage > 2πfVpeak; bruit d'entrée < signal/SNR cible ; tension d'alimentation compatible avec le système. Pour les appareils alimentés par batterie : faible courant de repos (MCP6001 : 100μA). Pour le haut débit : retour de courant (AD8009 : 1 GHz). Pour plus de précision : faible décalage (OPA2188 : 25μV).

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