thumb|300px|Différents modèles d'amplificateurs opérationnels. thumb|300px|La représentation schématique d'un amplificateur opérationnel varie suivant les normes ANSI/IEEE"IEEE Standard American National Standard Canadian Standard Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams (Including Reference Designation Letters)," in IEEE Std 315-1975 (Reaffirmed 1993) , vol., no., pp.i-244, 1993, . et IEC 60617-13.. Un amplificateur opérationnel (aussi dénommé ampli-op ou ampli op, AO, AOPCette abréviation sera fréquemment utilisée dans l'article., ALIPour amplificateur linéaire intégré. ou AILPour amplificateur intégré linéaire.) est un amplificateur différentiel à grand gain : c'est un amplificateur électronique qui amplifie fortement une différence de potentiel électrique présente à ses entrées. Initialement, les AOP ont été conçus pour effectuer des opérations mathématiques dans les calculateurs analogiques : ils permettaient d'implémenter facilement les opérations mathématiques de base comme l'addition, la soustraction, l'intégration, la dérivation et d'autres. Par la suite, l'amplificateur opérationnel est utilisé dans bien d'autres applications comme la commande de moteurs, la régulation de tension, les sources de courants ou encore les oscillateurs Analog Devices application note 106 : A Collection of Amp Applications . National semiconductors AN-20 : An Applications Guide for Op Amps , page 5-15. National semiconductors AN-30 : Log Converters . Texas Instruments Handbook of operational amplifier applications , page 87-81 : « Additional Circuits »..
Physiquement, un amplificateur opérationnel est constitué de transistors, de tubes électroniques ou de n'importe quels autres composants amplificateurs. On le trouve communément sous la forme de circuit intégré.
Le gain en tension très important d'un amplificateur opérationnel en boucle ouverte fait de lui un composant utilisé dans une grande variété d'applications. Certains amplificateurs opérationnels, de par leurs caractéristiques (temps de montée, faible distorsion harmonique), sont spécialisés dans l'amplification de certains types de signaux comme les signaux audio ou vidéo.
Historique 250px|thumb|Le calculateur analogique ELWAT. On doit le terme d'amplificateur opérationnel (Operational Amplifier en anglais) à John R. Ragazzini en 1947, Analysis of problems in dynamics by electronic circuits, Proceedings of the IRE, , mai 1947, ... L'invention originale vient d'un de ses étudiants, Loebe Julie.. Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés à l'ère des tubes électroniques, ils étaient alors utilisés dans les calculateurs analogiques. Actuellement, les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous forme de circuits intégrés, bien que des versions sous forme de composants discrets soient utilisées pour des applications spécifiques.
110px|left|thumb|AOP à tubes K2-W. Le premier AOP disponible en grande série fut le tube K2-W de la société GAP/RGAP/R est l'acronyme de George A. Philbrick Researches du nom du créateur de la société : George A. Philbrick. en .À titre informatif : la datasheet du K2-W sur le site de national.. À l'époque, le K2-W était vendu pour une vingtaine de dollars US. Le premier AOP en circuit intégré disponible en grande quantité, à la fin des années 1960, fut l'AOP bipolaire Fairchild μA709, créé par Bob Widlar en 1965. En 1968, le μA709 fut remplacé par le μA741 qui offrait de meilleures performances tout en étant plus stable et plus simple à mettre en œuvre... Bien qu'offrant des performances similaires à celles de son principal concurrent le LM101 de National Semiconductor, le μA741 est devenu un standard car il disposait en interne d'une capacité de compensation rendant ainsi le μA741 plus simple à utiliser que le LM101. Le prix des AOP a beaucoup évolué à ses débuts durant les années 1960 : en 1963, le prédécesseur du μA709, le μA702, vaut entre (dollars américains) ; en 1965, le µA709 est mis en vente à l'unité, mais son prix baisse vite pour atteindre en 1967 ; en 1969, le prix moyen d'un AOP était de Tales of the Continuum: A Subsampled History of Analog Circuits, Thomas H. Lee, octobre 2007.. Ainsi, en six ans, le prix des AOP a été divisé par plus de cent tandis qu'ils sont de plus en plus performants, robustes et simples d'utilisation.
100px|thumb|Un µA741 en boîtier TO5. Le μA741 est encore fabriqué de nos jours et il est devenu omniprésent en électronique. Plusieurs fabricants produisent une version améliorée de cet AOP, reconnaissable grâce au « 741 » présent dans leur dénomination. Depuis, des circuits plus performants ont été développés, certains basés sur des JFET (fin des années 1970), ou sur des MOSFET (début des années 1980). La plupart de ces AOP modernes peuvent se substituer à un μA741, dans un circuit de conception ancienne, afin d'en améliorer les performances.
Les amplificateurs opérationnels sont disponibles sous des formats, brochages, et niveaux de tensions d'alimentation standardisés. Avec quelques composants externes, ils peuvent réaliser une grande variété de fonctionnalités utiles en traitement du signal. La plupart des AOP standard ne coûtent que quelques dizaines de centimes d'euro, mais un AOP discret ou intégré avec des caractéristiques non standard et de faible volume de production peut coûter plus de pièce.
Les principaux fabricants d'amplificateurs opérationnels sont : Analog Devices, Linear Technology, Maxim, National Semiconductor, STMicroelectronics et Texas InstrumentsPatrick Aldebert, Techniques de l'ingénieur dossier E320 : « Amplificateurs faibles niveaux ». Paragraphe : « Pour en savoir plus », 02-2002..
Brochage thumb|150px|Brochage théorique d'un AOP Un AOP dispose typiquement de deux entrées, deux broches d'alimentation et une sortie. L'entrée notée e+ est dite non inverseuse tandis que l'entrée e- est dite inverseuse, ceci en raison de leur rôle respectif dans les relations entrée/sortie de l'amplificateur. La différence de potentiel entre ces deux entrées est appelée tension différentielle d'entrée.
La broche d'alimentation positive repérée est parfois aussi appelée , , ou VS+. La broche d'alimentation négative repérée est parfois aussi appelée , , ou VS−. Le caractère doublé qui se trouve en indice de la lettre V fait référence au nom de la broche du transistor à laquelle cette alimentation sera généralement reliéeElectrical Engineering Glossary Definition for Vcc sur le site de maxim.. Ainsi, les appellations et sont généralement réservées aux AOP bipolaires (C pour Collecteur et E pour Émetteur) tandis que les appellations et sont généralement réservées aux AOP à effet de champ (D pour Drain et S pour Source).
Suivant les applications, l'AOP peut aussi être doté de deux broches pour la compensation d'offset ainsi que d'une broche pour le réglage de la compensation fréquentielle.
Il existe des AOP possédant une sortie différentielle. De tels amplificateurs possèdent deux broches de sorties ainsi que quatre broches d'alimentation afin de pouvoir réaliser une isolation galvanique entre l'entrée et la sortie. Ces amplificateurs sont aussi appelés « amplificateurs d'isolement ».
Amplificateur opérationnel parfait thumb|200px|Caractéristique entrée sortie d'un amplificateur opérationnel parfait La notion d'amplificateur opérationnel parfait ou idéal permet de raisonner sur le fonctionnement théorique de l'amplificateur opérationnel en s'affranchissant des phénomènes parasites et des limitations inhérents à la réalité technologique des composants. Les progrès réalisés depuis les premiers AOP tendent, par l'amélioration constante des performances, à se rapprocher du modèle de l'AOP parfait.
L'amplificateur opérationnel parfait possède une impédance d'entrée, un gain en mode différentiel, une vitesse de balayage et une bande passante infinis alors que son gain de mode commun et son impédance de sortie sont nuls. De plus, il n'a pas de tension d'offset ni de courant de polarisation... En réalité le gain différentiel d'un amplificateur opérationnel variant fortement en fonction de la fréquence, il est courant de le considérer comme infini afin de simplifier les calculs. Il est aussi possible de considérer le gain d'un amplificateur opérationnel comme étant celui d'un intégrateur pur. afin de se rapprocher du comportement réel de l'amplificateur.
Ces caractéristiques traduisent le fait que l'amplificateur opérationnel parfait ne perturbe pas le signal qu'il va amplifier et que sa tension de sortie dépend uniquement de la différence de tension entre ses deux entrées.
La présence d'un gain différentiel infini implique que la moindre différence de potentiel entre les deux entrées de l'amplificateur l'amènera à saturer. Si l'on ne désire pas que la tension de sortie de l'amplificateur soit uniquement limitée à suivant le signe de la différence de potentiel entre les deux entrées de l'amplificateur, l'utilisation d'une contre-réaction négative est obligatoire.
La contre-réaction sur l'entrée inverseuse (ou contre-réaction négative) d'un AOP permet de soustraire une partie du signal de sortie au signal d'entrée de l'amplificateur. Grâce à cette soustraction, la contre-réaction négative permet de garder une différence de potentiel nulle en entrée de l'amplificateur. On parle alors de mode linéaire car on peut faire varier la tension de sortie entre +V et -V suivant la tension appliquée en entrée de l'amplificateur. L'absence de contre-réaction ou une contre-réaction sur l'entrée non inverseuse (ou réaction positive) de l'AOP amènera l'amplificateur en saturation positive ou négative suivant le signal appliqué en entrée. On parle alors de mode comparateur (ou saturé).
Mode linéaire - Application à un amplificateur non inverseur
300px|vignette|Montage amplificateur non inverseur Pour cette étude, l'amplificateur opérationnel utilisé est considéré parfait et fonctionne en « mode linéaire » car il utilise une contre-réaction sur l'entrée inverseuse de l'AOP. La contre-réaction sur l'entrée inverseuse permet d'effectuer une contre-réaction négative : toute augmentation de la tension de sortie va diminuer la tension différentielle d'entrée de l'AOP. Ainsi, la différence de tension entre les deux entrées de l'amplificateur est maintenue à zéro. De plus, l'impédance d'entrée étant infinie, aucun courant ne circule dans ces entrées. On retrouve donc la tension Ve en sortie du pont diviseur de tension non chargé formé par R2 et R1.
On obtient alors :
et donc :
Mode saturé - Application à un comparateur à deux seuils non inverseur
vignette|Trigger de Schmitt non inverseur Pour cette étude, on considérera que l'amplificateur opérationnel utilisé est parfait, et qu'il fonctionne en « mode comparateur » car il utilise une contre-réaction sur l'entrée non inverseuse de l'AOP. La contre-réaction sur l'entrée non inverseuse permet d'effectuer une contre-réaction positive : toute augmentation de la tension de sortie va augmenter la tension différentielle d'entrée de l'AOP. Le gain différentiel de l'amplificateur étant infini, la tension de sortie Vs ne peut valoir que +Vcc ou -Vcc suivant le signe de la tension différentielle Vdiff.
vignette|Courbe entrée sortie d'un Trigger de Schmitt. La tension Ve, annulant la tension différentielle Vdiff, vaut donc :
Suivant le signe de Vs, on peut définir une tension de basculement positif VT+ faisant passer la sortie Vs de -Vcc à +Vcc, et une tension de basculement négatif VT− faisant passer Vs de +Vcc à -Vcc :
Tension de basculement positif : Tension de basculement négatif : T pour threshold, signifiant seuil.
Amplificateur opérationnel réel thumb|200px|Amplificateur opérationnel LM741 en boîtier DIP 8 Bien que le modèle parfait de l'AOP permette de calculer la fonction de transfert et de comprendre la plupart des montages à base d'AOP, les AOP réels possèdent un certain nombre de limitations par rapport à ce modèle.