Chapitre 2: Systèmes avec rétroaction - exemple de l’Amplificateur Opérationnel

Chapitre 2: Systèmes avec rétroaction - exemple de l’Amplificateur Opérationnel
Activité expérimentale
AE n˚2 : Mise en oeuvre d’un montage amplificateur non inverseur
Objectifs de la séance :
Cahier des charges
Réaliser un montage amplificateur non inverseur utilisant un AO LM741 respectant les caractéristiques suivantes,
données pour un signal d’entrée sinusoïdal :
1. Le signal en sortie est amplifié de manière identique pour toute fréquence comprise dans l’intervalle
f = 0 − 30kHz.
2. Le signal en sortie ne sature pas.
3. Le signal en sortie est sinusoïdal.
1
Comment choisir le gain et la bande passante ?
1. Réaliser un schéma du montage et choisir soigneusement les valeurs numériques des composants de manière à respecter le point 1 du cahier des charges. On pourra être ammené à faire une approximation sur
le gain statique en boucle ouverte. Il est conseillé de consulter la fiche technique de l’AO LM741.
APPEL n˚1 : Présenter les valeurs des composants retenus.
2. Réaliser le montage.
3. Déterminer théoriquement la valeur maximale de l’amplitude de la tension d’entrée Ue,max pour respecter
le point n˚2 du cahier des charges. On suppose que la fréquence de travail est située dans le domaine
précisé dans le point 1 du cahier des charges. Vérifier expérimentalement cette condition sur l’amplitude et
mesurer les valeurs de Usat,+ , Usat,− et Ue,max . Les niveaux de saturation en sortie sont-ils symétriques ?
4. Déterminer expérimentalement la valeur du gain statique de l’amplificateur et comparer avec la valeur
théorique.
5. Vérifier expérimentalement que la condition n˚1 est respectée. Pour cela on tracera le diagramme de Bode
(en amplitude seulement) sur quelques points de mesure bien choisis.
APPEL n˚2 : Présenter vos résultats expérimentaux.
2
Quels paramètres influent sur la distorsion du signal en sortie ?
1. Choisir une tension d’entrée sinusoïdale d’amplitude 1V et de fréquence 1kHz. Augmenter progressivement
la valeur de la fréquence jusqu’à 50kHz et observer l’évolution du signal en sortie du montage.
2. Identifier expérimentalement les paramètres du signal d’entrée qui influent sur la distorsion du signal en
sortie (et non sur l’amplitude du signal).
3. Observer puis comparer l’évolution des spectres d’entrée et de sortie lorsque la fréquence augmente. On
utilisera le module FFT de l’oscilloscope.
1
PSI, lycée de l’Essouriau, 2014/2015
Chapitre 2: Systèmes avec rétroaction - exemple de l’Amplificateur Opérationnel
Activité expérimentale
La vitesse maximale de balayage vm , encore appelée slew rate, représente la variation maximale de tension que
peut reproduire un AO en un temps donné. vm est donc une tension par unité de temps et s’exprime généralement
en V /µs. La vitesse de variation du signal us (t) est limitée par une valeur finie :
dus ≤ vm
(1)
max dt 4. Proposer un protocole permettant de mesurer vm .
5. Réaliser votre protocole et proposer un encadrement de la valeur de vm déterminée expérimentalement :
vm,exp = ........ ± ........V /µs
(2)
6. Vérifier que la valeur obtenue est cohérente avec la donnée du fabricant.
APPEL n˚3 : Montrer la réalisation d’une mesure de vm ou en cas de difficultés.
7. On travaille avec un signal d’entrée sinusoïdal de fréquence f quelconque : ue (t) = Ue cos(2πf t). Montrer
que la condition à respecter sur l’amplitude du signal d’entrée Ue pour éviter l’effet de la vitesse de
balayage est :
v
m
où (H(f )) est le module de la fonction de transfert du montage
(3)
Ue ≤
2πf (H(f ))
8. En réponse au point n˚3 du cahier des charges, déterminer l’amplitude maximale du signal d’entrée pour
éviter toute distorsion du signal (pour une fréquence de travail répondant au point n˚1).
3
Saturation en courant : quelle charge minimale en sortie de l’amplificateur ?
On souhaite utiliser cet amplificateur sur un appareil de résistance de charge notée Rc . L’appareil est donc
modélisé par une résistance Rc dont une borne est reliée à la sortie de l’AO et l’autre reliée à la masse.
1. Réaliser le montage en connectant comme résistance de charge un boîtier de résistance variable. On
veillera à choisir soigneusement l’amplitude de la tension d’entrée afin d’éviter la saturation en tension
(voir résultats partie 1). On se placera à une fréquence standard de travail. Visualiser sur un oscilloscope
la tension us mesurée aux bornes de Rc .
2. Le fonctionnement de l’AO est-il toujours linéaire quelque soit la valeur de Rc ? Quel est la cause de ce
phénomène ?
3. Estimer la valeur du courant de saturation de l’AO is,max et la vérifier en comparant à la valeur indiquée
par le fabricant. On donne la relation entre is et us :
us =
Rc
is
c
1 + R1R+R
2
4. Déterminer expérimentalement la valeur de la résistance de charge minimale en sortie du filtre pour
respecter le point n˚2 du cahier des charges.
4
Conclusion
APPEL n˚3 : Faites une synthèse orale de l’ensemble de votre travail répondant au cahier des charges.
2
PSI, lycée de l’Essouriau, 2014/2015
LM741
www.ti.com
SNOSC25C – MAY 1998 – REVISED MARCH 2013
LM741 Operational Amplifier
Check for Samples: LM741
FEATURES
DESCRIPTION
•
•
The LM741 series are general purpose operational
amplifiers which feature improved performance over
industry standards like the LM709. They are direct,
plug-in replacements for the 709C, LM201, MC1439
and 748 in most applications.
1
2
Overload Protection on the Input and Output
No Latch-Up When the Common Mode Range
is Exceeded
The amplifiers offer many features which make their
application nearly foolproof: overload protection on
the input and output, no latch-up when the common
mode range is exceeded, as well as freedom from
oscillations.
The LM741C is identical to the LM741/LM741A
except that the LM741C has their performance
ensured over a 0°C to +70°C temperature range,
instead of −55°C to +125°C.
Connection Diagrams
LM741H is available per JM38510/10101
Figure 1. TO-99 Package
See Package Number LMC0008C
Figure 2. CDIP or PDIP Package
See Package Number NAB0008A, P0008E
Figure 3. CLGA Package
See Package Number NAD0010A
1
2
Please be aware that an important notice concerning availability, standard warranty, and use in critical applications of
Texas Instruments semiconductor products and disclaimers thereto appears at the end of this data sheet.
All trademarks are the property of their respective owners.
PRODUCTION DATA information is current as of publication date.
Products conform to specifications per the terms of the Texas
Instruments standard warranty. Production processing does not
necessarily include testing of all parameters.
Copyright © 1998–2013, Texas Instruments Incorporated
LM741
SNOSC25C – MAY 1998 – REVISED MARCH 2013
www.ti.com
Typical Application
Figure 4. Offset Nulling Circuit
These devices have limited built-in ESD protection. The leads should be shorted together or the device placed in conductive foam
during storage or handling to prevent electrostatic damage to the MOS gates.
Absolute Maximum Ratings (1) (2) (3)
LM741A
LM741
±22V
±22V
±18V
500 mW
500 mW
500 mW
±30V
±30V
±30V
Supply Voltage
Power Dissipation
(4)
Differential Input Voltage
Input Voltage
(5)
LM741C
±15V
±15V
±15V
Continuous
Continuous
Continuous
Operating Temperature Range
−55°C to +125°C
−55°C to +125°C
0°C to +70°C
Storage Temperature Range
−65°C to +150°C
−65°C to +150°C
−65°C to +150°C
150°C
150°C
100°C
P0008E-Package (10 seconds)
260°C
260°C
260°C
NAB0008A- or LMC0008C-Package (10 seconds)
300°C
300°C
300°C
Vapor Phase (60 seconds)
215°C
215°C
215°C
Infrared (15 seconds)
215°C
215°C
215°C
400V
400V
400V
Output Short Circuit Duration
Junction Temperature
Soldering Information
M-Package
ESD Tolerance
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(6)
“Absolute Maximum Ratings” indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for
which the device is functional, but do not ensure specific performance limits.
For military specifications see RETS741X for LM741 and RETS741AX for LM741A.
If Military/Aerospace specified devices are required, please contact the TI Sales Office/Distributors for availability and specifications.
For operation at elevated temperatures, these devices must be derated based on thermal resistance, and Tj max. (listed under “Absolute
Maximum Ratings”). Tj = TA + (θjA PD).
For supply voltages less than ±15V, the absolute maximum input voltage is equal to the supply voltage.
Human body model, 1.5 kΩ in series with 100 pF.
Electrical Characteristics (1)
Parameter
Input Offset Voltage
Test Conditions
LM741A
Min
LM741
Typ
Max
0.8
3.0
Min
LM741C
Typ
Max
1.0
5.0
Min
Typ
Max
2.0
6.0
Units
TA = 25°C
RS ≤ 10 kΩ
RS ≤ 50Ω
mV
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
RS ≤ 50Ω
4.0
RS ≤ 10 kΩ
Average Input Offset Voltage
Drift
(1)
2
mV
6.0
15
7.5
μV/°C
Unless otherwise specified, these specifications apply for VS = ±15V, −55°C ≤ TA ≤ +125°C (LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E,
these specifications are limited to 0°C ≤ TA ≤ +70°C.
Submit Documentation Feedback
Copyright © 1998–2013, Texas Instruments Incorporated
Product Folder Links: LM741
LM741
www.ti.com
SNOSC25C – MAY 1998 – REVISED MARCH 2013
Electrical Characteristics(1) (continued)
Parameter
Test Conditions
Input Offset Voltage
Adjustment Range
TA = 25°C, VS = ±20V
Input Offset Current
TA = 25°C
LM741A
Min
Typ
3.0
Min
Typ
Max
±15
30
20
200
70
85
500
TA = 25°C
30
20
80
0.210
TA = 25°C, VS = ±20V
1.0
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
VS = ±20V
0.5
6.0
Units
mV
200
300
nA
nA/°C
80
500
80
1.5
0.3
2.0
0.3
500
nA
0.8
μA
2.0
MΩ
TA = 25°C
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
Large Signal Voltage Gain
LM741C
Max
0.5
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
Input Voltage Range
Typ
±15
Average Input Offset
Current Drift
Input Resistance
Min
±10
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
Input Bias Current
LM741
Max
±12
±13
50
200
±12
±13
20
200
V
TA = 25°C, RL ≥ 2 kΩ
VS = ±20V, VO = ±15V
50
V/mV
VS = ±15V, VO = ±10V
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
RL ≥ 2 kΩ,
VS = ±20V, VO = ±15V
32
V/mV
VS = ±15V, VO = ±10V
VS = ±5V, VO = ±2V
Output Voltage Swing
25
15
10
VS = ±20V
RL ≥ 10 kΩ
±16
RL ≥ 2 kΩ
±15
V
VS = ±15V
RL ≥ 10 kΩ
RL ≥ 2 kΩ
Output Short Circuit
TA = 25°C
10
Current
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
10
Common-Mode
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
Rejection Ratio
RS ≤ 10 kΩ, VCM = ±12V
RS ≤ 50Ω, VCM = ±12V
Supply Voltage Rejection
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
Ratio
VS = ±20V to VS = ±5V
RS ≤ 50Ω
25
±12
±14
±10
±13
±10
±13
25
25
70
80
95
86
96
90
70
mA
90
dB
dB
77
96
77
96
TA = 25°C, Unity Gain
0.25
0.8
0.3
0.3
Overshoot
6.0
20
5
5
(2)
V
40
Rise Time
Bandwidth
TA = 25°C
Slew Rate
TA = 25°C, Unity Gain
Supply Current
TA = 25°C
Power Consumption
TA = 25°C
VS = ±20V
0.437
1.5
0.3
0.7
80
μs
%
MHz
0.5
0.5
V/μs
1.7
2.8
1.7
2.8
50
85
50
85
150
VS = ±15V
(2)
±14
35
RS ≤ 10 kΩ
Transient Response
±12
mA
mW
Calculated value from: BW (MHz) = 0.35/Rise Time (μs).
Submit Documentation Feedback
Copyright © 1998–2013, Texas Instruments Incorporated
Product Folder Links: LM741
3
LM741
SNOSC25C – MAY 1998 – REVISED MARCH 2013
www.ti.com
Electrical Characteristics(1) (continued)
Parameter
LM741A
LM741A
Test Conditions
Min
Typ
LM741
Max
Min
Typ
LM741C
Max
Min
Typ
Max
Units
VS = ±20V
LM741
TA = TAMIN
165
TA = TAMAX
135
mW
VS = ±15V
TA = TAMIN
60
100
TA = TAMAX
45
75
Thermal Resistance
θjA (Junction to Ambient)
θjC (Junction to Case)
mW
CDIP (NAB0008A)
PDIP (P0008E)
TO-99 (LMC0008C)
SO-8 (M)
100°C/W
100°C/W
170°C/W
195°C/W
N/A
N/A
25°C/W
N/A
SCHEMATIC DIAGRAM
4
Submit Documentation Feedback
Copyright © 1998–2013, Texas Instruments Incorporated
Product Folder Links: LM741