Lombart Cécile
Marron Zoubida
Électronique Générale VidéoModèles

Etude général du LM741Décembre 2011

Schéma d'une source de tension commandée en tension

http://fr.wikipedia.org/wiki/Amplificateur_op%C3%A9rationnel

Photo d'un amplificateur opérationelle

Introduction

Nous séparons l'étude du LM741 en observant différentes partie de celui-ci.

Schéma d'une source de tension commandée en tension
Photo d'un amplificateur opérationelle

Nous verrons:

Nous ferons cette étude en gardant toujours une vue d'ensemble sur tout le circuit.

Vous pouvez déjà vous faire une idée du fonctionnement en regardant le videomodèle. On voit déjà clairement les miroirs de courants sur les transistors puisque ceux-ci restent en permanence à la même hauteur sur le videomodèles.

Nous pouvons aussi y voir le gain qui est de 3 en regardant les valeurs des tensions d'entrées par apport à la tension de sortie.

On voit aussi les tensions de saturation. Il apparait clairement que celui-ci ne pourra pas fournir plus de 15V et moins de -15V.

VideoModel 2 : Amplificateur Opérationnel en mode non-inverseur.
  1. Les sources de courant

    form1

    La ligne Q11, Q12 et R5 génère une référence de courant.

    Si on regarde ça avec des équations. L’AOP etant alimenté par du 15V et -15V.

    form1

    Nous avons donc ici une source de courant qui dépend uniquement de la tension d'alimentation du LM741

    Le courant de R_5 est presque le même que I_C11 puis que le courant de base est négligeable par apport à celui du collecteur.

    VBE10−VB9 =5kOhm *IE10 ≅ R 2⋅IC10

    De plus, on sait avec I_S1 le courant de saturation du transistor que:

    form2

    Comme les deux transistors sont proches l'un de l'autre dans le circuit et qu'ils ont les mêmes caractéristiques, ils ont le même courant de saturation. On a donc

    form2
    form3

    Si on résolu, c’est deux équations à deux inconnues on trouve que k=40 donc I_c10=19µA.

    Nous avons donc le même courant en I_c9 qu'en I_c10 et par miroir de courant dans I_c8 qui alimente l’étage d’entrée.

    Nous avons aussi le même courant en I_c12 et I_c13 qu'en I_c11, ce courant aliment l'étage de sortie.

    L'étage d'entrée

    form1

    Le I_c8 se divise donc en 2 dans les deux parties en I_c1 et I_c2. Le fait que les courants de collecteur des deux transistors d'entrée soit petits, assure des courants de base très petit pour avoir peu de courant de polarisation.

    On a mis les bases des transistors comme entrées pour qu’elles puissent parcourir l’ensemble des valeurs des tensions d’alimentation.

    La sortie de l’étage d’entrée est le courant de base du transistor Q18.

    On peut remarquer que la différence de tension entre les entrées plus les tensions des transistors 1 et 3 est égal à la tension sur les transistors 2 et4. En appliquant cette formule dans la constatation précédente

    form3

    On trouve

    form3

    par approximation de Taylor on trouve

    form3

    Et comme I_C1+I_C2=20µA

    On a donc

    form3

    Le courant de polarisation 300 fois plus petit est égal donc a 30nA.

    Les transistors Q5 et Q6 forment un miroir de courant. Ceci permet de s'assurer que les deux entrées sont parcourues par le même courant de polarisation. Le transistor Q7 augmente les capacités du miroir de courant en diminuant le courantdeà Q3 pour alimenter les bases des transistors Q5 et Q6.

    Étage de gain à Darlington

    form1

    Dans cette partie, on retrouve un montage Darlington à haut gain, car on a placé 2 transistors en émetteur commun,de manière à ce que leurs gains respectifs soient multiplié entre eux.

    Mais partons de ce que l'on sait déjà, c-à-d Ic13=733µA, que l'on retrouve presque totalement sur Q17C. Ainsi on peut déterminer le courant qui arrive vers IB18 :

    form3

    On peut remarquer que le transistor Q19 limite le courant de Q17C :

    form3

    Ainsi on a bien une amplification du courant IB18, on retrouve aussi un condensateur de 30pF qui permet de diminuer les distorsion issu de l'étage d'amplification.

    Étage de sortie

    form3

    L'étage de sortie est un montage push-pull de type AB. Cela signifie que les transistors sont passant chacun a leur tour mais avec une petite période de recouvrement. Il est composé de 2 transistors complémentaires Q14 et Q20 qui fonctionneront en collecteur commun. Q14 reprendra les alternances positives et Q20 les alternance négatives. Mais on peut sous certaines condition, voir apparaitre une distorsion croisée due aux transistors, c-à-d lors du passage du mode bloqué vers le mode passant des transistors.

    La transistor Q16 assure en permanence une chute de 1,4V a ses bornes en faisant passé le meme courant dans les 2 résistances. Donc c'est celui-ci qui assure la polarité du montage push-pull.

    La résistance R9 et le transistor Q15 vont servir à limiter le courant car :

    form3

    En effet lorsque le courant devient trop important dans le transistor Q14 le transistor Q15 devient passant et tire lui aussi du courant de Q13 et empeche donc qu'il arrive à la base du transistor 14.

    Il se passe le même phénomène au transistor Q20 pour éliminer l'effet d’emballement thermique des transistors. I se fait par l'intermédiaire de la tension base-émetteur du transistor Q14, de la tension émetteur-collecteur du transistor Q16 et de la R10.

    Cas particuliers

    VOUT = VCC+

    On a dans un premier temps, essayer de voir ce qui se passait lorsque on connecte la sortie du LM741 à l'alimentation positive Vcc+. On remarque de prime abord que l'AOP, alors qu'il est branché en montage amplificateur Non-Inverseur, il n'amplifie plus le signal d'entrée car la sortie a été bloqué en Vcc+..

    On voit aussi que la contre-réaction négative vers l'entrée IN-, nest plus la même, car Vout est bloqué en Vcc+. L'entrée IN- ne varie donc plus, elle reste bloqué autours d'une certaine valeur imposée par le diviseur de tension composée des résistances R13 et R14.

    Il n' y a ainsi que l'entrée In+ qui varie en fonction de la tension sinusoïdale que l'on lui applique à l'entrée. On peut observer dans le vidéo modèle, que le miroir de courant constitué de Q5 et Q6 réagit un petit peu lorsque le signal d'entrée est positif.

    Lorsque nous relions la sortie à VCC, il est evident que le transistor Q14 sera bloqué, puisqu’il n’y aura plus aucune différence de potentiel entre son émetteur et son collecteur. Le transistor 15 sera quand a lui aussi bloqué puisque sa tension base émetteur est égal à 0V. Nous pouvons donc voir qu’ils tireront donc aucun courant du transistor Q13 et l’ensemble de celui-ci ira aux autres transistors. La limitation du courant traversant Q20 se fait par l'intermédiaire de la tension base-émetteur du transistor Q14, de la tension émetteur-collecteur du transistor Q16 et de la résistance de 50 Ω. Comme le transistor Q14 est bloque, celui-ci ne peut plus jouer son rôle. Nous nous rendons donc compte que le transistor 20 aura beaucoup plus de courant que normalement. Ainsi que le transistor Q17 et par conséquent Q18.

    VOUT = VCC-

    On a par la suite essayé de connecter Vout à Vcc-, on retrouve plus ou moins les mêmes caractéristiques que pour l’essai précédent, si ce n'est que tout est inversé ce qui est logique.

    On a la contre réaction négative qui bloque l'entrée IN- grâce au diviseur de tension R13 et R14. Mais ici on remarque que le transistor Q13 est passant ce qui permet à la source de courant de fonctionner. Néanmoins on remarque que le courant tirer par Q8 ne passe que du coté de Q1, on n'a donc aucun courant qui passe dans Q2, et on peut donc dire qu'il n'y a aucun courant qui sort de l'étage d'entrée :

    IB18=0

    Le transistor Q20 devient bloquant puisqu’il n’a plus de différence de potentiel à ses bornes entrainants aussi les transistors Q18 et Q17. Donc on voit que l’ensemble du courant venant de l’émetteur du transistor Q13 va dans le transistors Q14.

    form3

    Source: http://fr.wikipedia.org/wiki/Amplificateur_op%C3%A9rationnel

    Syllabus d'electronique ECAM 3BE, Francis Gueuning

    http://users.ece.gatech.edu/~alan/ECE3040/Lectures/Lecture31-The%20u741%20Op%20Amp.pdf

    Lombart Cécile & Marron Zoubida   -   Année Académique 2011-2012   -   ECAM