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Chapitre E2: Systèmes avec rétroaction - exemple de l’Amplificateur Linéaire Intégré
Activité expérimentale
AE n◦2 : Pédale de distorsion pour guitare électrique
Au milieu des années 50, lorsque les guitares électriques sont devenues populaires, tous les amplificateurs
étaient conçus pour la voix et ne donnaient pas vraiment satisfaction aux guitaristes. La seule façon d’obtenir
une saturation consistait à pousser le volume à fond (et espérer que les tubes des amplis ne fondent pas !).
Dans les années 60, les guitaristes découpaient les cônes de leurs haut-parleurs pour obtenir un son brouillé.
Plus tard, les premières pédales de saturation ont été conçues afin de simuler le son des cônes découpés et des
amplis saturés. Actuellement, tous les amplis possèdent un mode saturation. L’effet peut être également obtenu
via une pédale de distorsion, que le musicien peut activer simplement avec son pied.
Lorsqu’on parle de saturation, on entend souvent les mots overdrive, fuzz et crunch. Ces mots décrivent le
type de saturation que peuvent donner un ampli ou une pédale. L’overdrive donne un son brut et plutôt doux.
Le fuzz est une saturation métallique, très dure tandis que le son du crunch ressemble au bruit du craquement
des céréales.
Habituellement les effets de saturations utilisent des circuits à base de transistors, amplificateurs linéaires
intégérs et diodes. L’objectif de ce TP est de réaliser une pédale de distorsion comprenant trois "boutons" :
— Un bouton Drive, qui contrôle la quantité de saturation envoyée.
— Un bouton contrôle de Tone, permettant de régler le dosage entre sons graves et aigüs (tonalité).
— Un bouton de Volume.
Pour cela, nous allons mettre à profit une limitation des ALI : la saturation en tension.
Pédale de distorsion commerciale
Le lecteur intéressé pourra trouver une proposition de montage pour pédale de distorsion (dont on reprend
ici une version simplifiée) à l’adresse suivante : www.techniguitare.com/Fiches/Histo_Saturation.pdf
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PSI, lycée de l’Essouriau, 2016/2017
Chapitre E2: Systèmes avec rétroaction - exemple de l’Amplificateur Linéaire Intégré
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Activité expérimentale
Réalisation du bouton Drive
Le bouton drive permet de régler la quantité de saturation issu de la guitare, avant d’être envoyé dans
l’amplificateur relié au haut parleur.
1. Réglages et mesures préliminaires.
(a) Les guitares électriques peuvent disposer de réglages de distorsion intégrés. Récupérer le signal issu
de l’instrument à l’aide de pinces crocodiles disposées sur les différentes parties de la prise jack et
l’envoyer dans l’amplificateur audio lui-même relié à un haut-parleur (voir ci-dessous). Assurez-vous
que votre instrument est réglé de telle sorte qu’il émette un son clair (non distordu).
(b) Mesurer directement le signal issu de l’instrument à l’oscilloscope. Mesurer l’amplitude moyenne Ug
du signal en sortie de la guitare. On attend un ordre de grandeur et non une mesure très précise,
mais un ordre de grandeur.
2. Réalisation du montage permettant la distorsion
Pour réaliser l’effet drive on compte insérer un montage amplificateur non inverseur entre l’instrument et
l’amplificiateur audio dont le gain, modifiable, permet de faire saturer le son de l’instrument en sortie.
(a) Compte tenu de la mesure de Ug , quel doit être l’ordre de grandeur de la valeur du gain du montage
amplificateur non inverseur ?
(b) Réaliser un montage amplificateur non inverseur dont le gain permet de faire saturer le son de la
guitare en sortie. On choisira une résistance variable pour faire varier le gain de l’amplificateur. On
utilisera un ALI LM741 dont la fiche technique est donnée en annexe.
(c) Ecouter au haut-parleur l’effet de la distorsion sur le signal ; justifier qualitativement que la résistance
variable est le bouton Drive de votre pédale de distorsion.
(d) Tracer l’allure du signal temporel en sortie du montage lorsque le son sature puis analyser l’évolution
de son spectre (mode FFT de l’oscilloscope) lorsque le drive augmente. Commenter l’apparition
des harmoniques dans le spectre. On pensera à déconnecter l’ampli audio si sa présence perturbe
l’observation du signal temporel sur l’oscilloscope.
3. Caractérisation du montage
(a) Remplacer le signal de la guitare par un signal sinusoïdal de même fréquence et d’amplitude Ug .
Déterminer expérimentalement la valeur du gain minimal permettant de faire saturer le signal, accompagnée d’une incertitude de mesure. La valeur obtenue est-elle cohérente avec le calcul théorique ?
(b) Mesurer les valeurs de Usat,+ et Usat,− : les niveaux de saturation en sortie sont-ils symétriques ?
2
PSI, lycée de l’Essouriau, 2016/2017
Chapitre E2: Systèmes avec rétroaction - exemple de l’Amplificateur Linéaire Intégré
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Activité expérimentale
Limitations du montage : saturation en vitesse et bande passante
Plusieurs limitations du fonctionnement de l’ALI n’ont pas été prises en compte dans la partie précédente : la
saturation en vitesse de balayage et sa bande passante. L’objectif de cette partie est de quantifier ces limitations
afin de conclure sur leur impact dans l’application de la pédale de distorsion.
1. La vitesse limite de balayage
(a) Mise en évidence du phénomène : remplacer le signal de la guitare par un signal sinusoïdal de même
amplitude et de fréquence 50kHz. Limiter la valeur du gain de telle sorte que le signal en sortie du
montage amplificateur non inverseur ne sature plus (mais reste d’amplitude élevée). Augmenter alors
progressivement l’amplitude du signal d’entrée et observer l’évolution de l’allure du signal en sortie
du montage : on parle de triangularisation. Renouveller l’expérience avec un signal de fréquence
f = 1kHz : observez-vous à nouveau le phénomène ?
(b) Dans le cas où f = 50kHz observer puis comparer l’évolution des spectres d’entrée et de sortie
lorsque la fréquence augmente (module FFT de l’oscilloscope), justifier alors que ce phénomène dit
de vitesse limite de balayage est susceptible d’introduire une distorsion sur le signal.
La vitesse maximale de balayage vm , encore appelée slew rate, représente la variation maximale de tension que
peut reproduire un ALI 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 (c) Mesurer vm et déterminer sa valeur en V /µs accompagnée d’une incertitude de mesure (voir en annexe la formule de propagation des erreurs). Vérifier que la valeur obtenue est cohérente avec la
donnée du fabricant.
(d) Conclure sur l’influence de la vitesse maximale de balayage sur l’application de la pédale de distorsion.
2. La bande passante
(a) L’amplificateur non inverseur présente un caractère passe-bas du fait de l’utilisation d’un ALI : mesurer
le produit gain-bande passante de votre montage et comparer votre valeur à celle du fabriquant (voir
annexe, Bandwidth, qui correspond au produit gain-bande passante).
(b) Pour l’application mise en œuvre ici, préciser dans quelle mesure la bande passante influe sur le
signal de l’instrument.
3
Réalisation du bouton de Tone
Le bouton de Tone permet de faire varier le contenu spectral du signal distordu : il contrôle le rapport entre
hautes et basses fréquences dans le rendu sonore.
1. Proposer puis réaliser un montage à disposer en sortie de l’amplificateur permettant de réaliser cette
fonction. Un montage suiveur est-il nécessaire lors de cette mise en cascades de filtres ?
2. Tester votre montage avec le signal issu de l’instrument. Il est conseillé de ne pas régler le drive trop
fort pour que l’effet de Tone soit audible.
3
PSI, lycée de l’Essouriau, 2016/2017
Chapitre E2: Systèmes avec rétroaction - exemple de l’Amplificateur Linéaire Intégré
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Activité expérimentale
Saturation en courant : quelle charge minimale en sortie de l’amplificateur ?
Le fait de brancher en sortie du montage amplificateur non inverseur un ampli audio (à destination d’une
enceinte) peut conduire à exiger de l’ALI qu’il débite un courant trop fort pour ses capacités, ce qui le conduit à
saturer en courant et introduire ainsi une nouvelle cause de saturation du signal audio. On cherche dans cette
partie à déterminer la charge maximale qu’il est possible de brancher en sortie du montage drive.
L’ampli audio est modélisé par une résistance Rc dont une borne est reliée à la sortie de l’ALI 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 (ou le gain) afin d’éviter la saturation
en tension. On se placera à une fréquence standard de travail. Visualiser sur un oscilloscope la tension
us mesurée aux bornes de Rc et faire varier sa valeur.
2. Le fonctionnement de l’ALI est-il toujours linéaire quelque soit la valeur de Rc ? Préciser la cause de ce
phénomène.
3. Estimer la valeur du courant de saturation de l’ALI is,max et la vérifier en comparant à la valeur indiquée
par le fabricant. On donne la relation entre is et us :
us =
5
Rc
is
c
1 + R1R+R
2
Réalisation du bouton de Volume
1. Proposer puis réaliser un montage simple permettant de régler le volume du signal envoyé au hautparleur. Penser aux précautions à prendre lorsque plusieurs filtres sont mis en cascade.
2. Tester votre montage avec le signal issu de la guitare.
Annexes
Propagation des incertitudes
Supposons avoir évalué l’incertitude de plusieurs grandeurs physiques (x, y, . . .) et que l’on souhaite déterminer
la valeur d’une autre grandeur q = f (x, y, . . . ), qui dépend des valeurs de ces grandeurs, et évaluer l’incertitude
δq sur sa détermination. Les erreurs de mesure commises sur x et y vont se répercuter sur q . . .Mais comment
évaluer la nouvelle incertitude δq ?
On utilise pour cela la formule de propagation des erreurs :
s
2
2
∂f
∂f
2
2
δq = (δx)
+ (δy)
+ ...
∂x
∂y
— Dans le cas d’une somme : q=x+y+. . .
δq =
q
(δx)2 + (δy)2 . . .
— Dans le cas d’un produit : q = x α yβ . . . , l’incertitude se calcule de la manière suivante :
s
δx
δy
δq = q α 2 ( )2 + β 2 ( )2 . . .
x
y
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PSI, lycée de l’Essouriau, 2016/2017
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.
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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).
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LM741
SNOSC25C – MAY 1998 – REVISED MARCH 2013
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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
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Product Folder Links: LM741