IOGS Année universitaire 2015-2016 - 14 janvier 2016 EITI Durée : 2h00
Calculatrice autorisée. Fiche recto-verso autorisée. Tout autre document interdit.
Les 2 exercices sont indépendants. Les parties A et B doivent être rendues sur des copies séparées.
1. Amplificateur différentiel(5 points)
On propose d’étudier ce montage, qui correspond à l’architecture interne d’unamplificateur d’instrumen- tation(de typeINA111par exemple).
1(1,00)- Donner l’expression deVS en fonction deVAetVB (les potentiels aux points A et B).
REPONSE
L’AOP2 fonctionne en mode linéaire, ainsiV+ =V−.
Par utilisation du théorème de Millmann pour le calcul deV− et du pont diviseur pour le calcul de V+, on obtient :
V+ =VA· R2 R2+R2
V−=
VS R2 + VRB2
1 R2 + R12 On obtient alors :VS = VA−VB.
2(1,00)- Donner l’expression de la différenceVA−VBen fonction de la différenceV1−V2.
REPONSE
Les AOP1 et AOP1’ fonctionnent en mode linéaire, ainsiV+ =V−.
Si on noteIle courant traversant les deux résistancesR1et la résistanceRGet si on suppose les AOP parfaits en entrée (i+ =i−= 0) alors :
I = VA−VB
2·R1+RG
On a aussi la relation suivante :
I = V1−V2
RG
Au final, on obtient :
VA−VB = (V1−V2)·(1+ 2·R1
RG
3(0,50)- Que vaut alors VS en fonction de la différenceV1−V2? Mettre cette expression sous la forme : VS = g·(V1−V2). Donner l’expression deg.
REPONSE
VS = 1+ 2·R1 RG
!
·(V1−V2) avecg=1+2·R1/RG
4(0,50) - D’après la documentation constructeur de l’INA111(fournie en annexe), à quel potentiel faut-il relier la brocheREF pour obtenir le montage proposé précédemment ? Que vaut le gain gsi la résistance RG
n’est pas reliée ? Quel est le courant maximal disponible en sortie de l’INA111?
REPONSE
Il faut relier la brocheRefau potentiel 0 V.
SiRg→ +∞alorsg→1.
On trouve dans la documentation technique que le courant de court-circuit en sortie est de 30 mA.
5(1,00)- On connecte à présent un capteur entreV1etV2qui a une sensibilitéS = 400µV/◦C.
a De quel type est ce capteur ?
REPONSE
Ce capteur est un capteuractifdetempérature.
b Quel est alors la sensibilité du montage complet ?
REPONSE
=
c Quelle valeur faut-il donner àRG pour obtenir une sensibilité de 100 mV/◦C pour le montage complet ?
REPONSE
g= sm/S etg= 1+2·R1/RG
On connaitR1 = 25 kΩ.
D’oùRG= 2·R1/(g−1) On obtient alorsRG= 200Ω.
d Quelle est alors la valeur maximale de température que l’on pourra relever à l’aide de ce montage, pour une alimentation deVCC =15V?
REPONSE
VS peut atteindre la valeur deVCC =15 V.
OrVS = g·S ·T (oùT est la température,S la sensibilité du capteur etgl’amplification du montage de mise en forme).
AinsiTMAX = VCC/(g·S)=150◦C
6(1,00)- On souhaite connecter en sortie une LED de type TSAL6100 (documentation techniquefournie en annexe) pour transmettre l’information à un récepteur.
a Quelle est la longueur d’onde d’émission de cette LED ? A quelle partie du spectre correspond-elle ? Quel est le courant maximal admissible par cette LED ?
REPONSE
λ=940 nm/infrarouge IMAX =100 mA
b Peut-on l’utiliser dans ces conditions directement en sortie de l’INA111?
REPONSE
Non, le courant maximal disponible en sortie de l’AOP est de 30 mA.
c On souhaite obtenir un courant maximal de 20 mA dans la LED. Proposer une valeur de résistance à mettre en série avec cette dernière.
REPONSE
La valeur maximale du courant est obtenue lorsqueVS =15 V. On a alors :
RLED= VS −Vd
Id
oùVd = 1.35 V est la tension seuil de la diode etIdle courant souhaité dans la LED.
On obtient alorsRLED= 682Ω
d Quelle sera la valeur minimale de température que l’on pourra alors transmettre par ce montage ? La valeur maximale ?
REPONSE
Pour que la LED puisse émettre des photons (et donc transmettre une information), il faut que VS > 1.35 V.
Ainsi, pourVS =1.35 V, on obtientTMIN = 13.5◦C
2. Capteur et mise en forme(8 points)
On se propose d’étudier un capteur de forceet son système de mise en forme. Voici le montage utilisé pour mettre en forme le signal provenant du capteur :
1(0,5)- Quel est le mode de fonctionnement des deux amplificateurs opérationnels (AOP 1 et 2) ?
REPONSE
Les deux AOP fonctionnent en mode linéaire (contre réaction entre l’entrée inverseuse et la sortie).
On a alorsV+ =V−.
2(1,0) - AOP 1 - Quel est le montage utilisé autour de l’AOP 1 ? Quel est son intérêt ? Que vautVREF en fonction deα(réglage du potentiomètreP) et deVCC?
REPONSE
Le montage utilisé autour de l’AOP1 est un montage suiveur. Il permet d’adapter l’impédance entre deux parties d’un système et ainsi fournir suffisamment de courant à la charge connectée.
VREF =α·VCC
3(1,5)- AOP 2 - Donner la relation entreVS,VCAPetVREF.
REPONSE
On calculeV−à l’aide du théorème de Millmann puisV+à l’aide d’un pont diviseur de tension.
On obtient au final :VS =k·(VCAP−VREF)
4 (0,5) - Les AOP sont alimentés en symétrique entre +VCC et −VCC. Quelle est la différence maximale entreVCAPetVREF que l’on peut mesurer à l’aide de ce système ? On choisiraVCC =15 V pour les applications numériques.
REPONSE
La tension en sortie de l’AOP est limitée par la tension d’alimentationVCC, la différence maximale
5 - On associe à ce montage lecapteur de force dont l’étendue de mesure est de 0 à 25 kN. Le point de fonctionnement initial est :F0 =2 kN,T0= 60◦C. La tension de sortie est donnée par la relation suivante :
Vcap =10−4·F·
1+2.10−3·(T −20)
+6.10−11·F2 oùFest la force à mesurer,T la température en degré Celsius.
a(0,5) Ce capteur est-il linéaire ?
REPONSE
Non ce capteur n’est pas linéaire,VCAPdépend de Fmais aussi deF2. b(1,0) Quelle est la valeur deVcapau point de fonctionnement ?
REPONSE
VCAP= 10−4·(2·103)·
1+2.10−3·(60−20)
+6.10−11·(2·103)2 On obtient :VCAP= 0.22 V
c(1,0) Calculer la sensibilité du capteur. Que vaut-elle au point de fonctionnement ?
REPONSE
s= dVCAP
dF =Vcap =10−4·
1+2.10−3·(T −20)
+12.10−11·F PourT = 60◦C et F =2 kN, on obtient :s=108µV/N
6- On connecte ce capteur au montage précédent.
a(0,75) Donner l’expression de la sensibilité du montage complet. Que doit valoirkpour que la sensibilité du montage soit de 1 V/kN au point de fonctionnement ?
REPONSE
sm= dVS
dF =k· dVCAP
dF = k·s On souhaite quesm=1 V/kN, ainsik=9.24
b(0,25) Si la température descend de 20◦C, que devient cette sensibilité ?
REPONSE
PourT =40◦C etF =2 kN, on obtient :s= 104µV/N et sm= 0.963 mV/N
c(0,25) Quelle valeur faut-il donner àVREF pour que la caractéristiqueVS =h(F) passe par l’origine pour le point de fonctionnement ?
REPONSE
PourT =60◦C etF =2 kN, on aVCAP= 0.2162 V. Il faut donc queVREF =0.2162 V AinsiVS =0 V au point de fonctionnement.
d(0,75) Pour une température de 60◦C quel est l’écart de linéarité maximal sur la plage de fonctionnement du capteur ? Que vaut la tensionsVS pour une force de 25 kN ? Est-ce réalisable dans les conditions de fonctinnement proposées ?
REPONSE
VS =k·(VCAP−VREF)=k·
10−4·F·
1+2.10−3·(T −20)
+6.10−11·F2−0.2162
VS LIN =k·(VCAP−VREF)=k·
10−4·F·
1+2.10−3·(T −20)
−0.2162
PourT = 60◦C et F = 25 kN, on obtient : VS MAX = 23.32 V etVS LIN MAX = 22.97 V. L’écart est d’environ 1.4%.
On obtient ici :VS MAX = 23.32 V> VCC, donc il n’est pas possible d’atteindre cette tension pour la tension d’alimentation choisie pour les AOP.
® INA1111 ©1992 Burr-Brown CorporationPDS-1143EPrinted in U.S.A. March, 1998
INA111 A1 A2
A3
(12) (11)6 (10)10kΩ10kΩ
25kΩ
25kΩ
10kΩ10kΩ
(13)7 (7)4
(5)3
(15)8
(2)1
(4)2VIN VIN
RG
V+ V–
INA111 DIP(SOIC)
Ref
Feedback VO G = 1 +50kΩ RG
– +5
DIP Connected Internally
High Speed FET-Input INSTRUMENTATION AMPLIFIER FEATURES ●FET INPUT: IB = 20pA max ●HIGH SPEED: TS = 4µs (G = 100, 0.01%) ●LOW OFFSET VOLTAGE: 500µV max ●
LOW OFFSET VOLTAGE DRIFT: 5µV/°C max ●
HIGH COMMON-MODE REJECTION: 106dB min
●8-PIN PLASTIC DIP, SOL-16 SOIC APPLICATIONS ●MEDICAL INSTRUMENTATION ●DATA ACQUISITION
DESCRIPTION The INA111 is a high speed, FET-input instrumenta- tion amplifier offering excellent performance. The INA111 uses a current-feedback topology provid- ing extended bandwidth (2MHz at G = 10) and fast settling time (4µs to 0.01% at G = 100). A single external resistor sets any gain from 1 to over 1000. Offset voltage and drift are laser trimmed for excellent DC accuracy. The INA111’s FET inputs reduce input bias current to under 20pA, simplifying input filtering and limiting circuitry. The INA111 is available in 8-pin plastic DIP, and SOL-16 surface-mount packages, specified for the –40°C to +85°C temperature range.
® International Airport Industrial Park • Mailing Address: PO Box 11400, Tucson, AZ 85734 • Street Address: 6730 S. Tucson Blvd., Tucson, AZ 85706 • Tel: (520) 746-1111 • Twx: 910-952-1111 Internet: http://www.burr-brown.com/ • FAXLine: (800) 548-6133 (US/Canada Only) • Cable: BBRCORP • Telex: 066-6491 • FAX: (520) 889-1510 • Immediate Product Info: (800) 548-6132 INA111
INA111
SBOS015
® INA1112
SPECIFICATIONS ELECTRICAL At TA = +25°C, VS = ±15V, RL = 2kΩ, unless otherwise noted. ✻ Specification same as INA111BP. NOTE: (1) Temperature coefficient of the “50kΩ” term in the gain equation. The information provided herein is believed to be reliable; however, BURR-BROWN assumes no responsibility for inaccuracies or omissions. no responsibility for the use of this information, and all use of such information shall be entirely at the user’s own risk. Prices and specifications without notice. No patent rights or licenses to any of the circuits described herein are implied or granted to any third party. BURR-BROWN does any BURR-BROWN product for use in life support devices and/or systems.
INA111BP, BUINA111AP, AU PARAMETERCONDITIONSMINTYPMAXMINTYP INPUT Offset Voltage, RTI InitialTA = +25°C±100 ± 500/G±500 ± 2000/G±200 ± 500/G±100 vs TemperatureTA = TMIN to TMAX±2 ± 10/G±5 ± 100/G±2 ± 20/G±10 vs Power SupplyVS = ±6V to ±18V2 +10/G30 + 100/G✻ Impedance, Differential1012 || 6✻ Common-Mode1012 || 3✻ Input Common-Mode RangeVDIFF = 0V±10±12✻✻ Common-Mode RejectionVCM = ±10V, ΔRS = 1kΩ G = 1809075✻ G = 109611090✻ G = 100106115100✻ G = 1000106115100✻ BIAS CURRENT±2±20✻ OFFSET CURRENT±0.1±10✻ NOISE VOLTAGE, RTIG = 1000, RS = 0Ω f = 100Hz13✻ f = 1kHz10✻ f = 10kHz10✻ fB = 0.1Hz to 10Hz1✻
Noise Current f = 10kHz
0.8✻ GAIN Gain Equation1 + (50kΩ/RG)✻ Range of Gain110000✻ Gain ErrorG = 1, RL = 10kΩ±0.01±0.02✻ G = 10, RL = 10kΩ±0.1±0.5✻ G = 100, RL = 10kΩ±0.15±0.5✻ G = 1000, RL = 10kΩ±0.25±1✻ Gain vs TemperatureG = 1±1±10✻ 50kΩ Resistance(1)±25±100✻ NonlinearityG = 1±0.0005±0.005✻ G = 10±0.001±0.005✻ G = 100±0.001±0.005✻ G = 1000±0.005±0.02✻ OUTPUT VoltageIO = 5mA, TMIN to TMAX±11±12.7✻✻ Load Capacitance Stability1000✻ Short Circuit Current+30/–25✻ FREQUENCY RESPONSE Bandwidth, –3dBG = 12✻ G = 102✻ G = 100450✻ G = 100050✻ Slew Rate VO= ±10V, G = 2 to 10017✻ Settling Time, 0.01%G = 12✻ G = 102✻ G = 1004✻ G = 100030✻ Overload Recovery50% Overdrive1✻ POWER SUPPLY Voltage Range±6±15±18✻✻ CurrentVIN = 0V±3.3±4.5✻ TEMPERATURE RANGE Specification–4085✻ Operating–40125✻ θJA100✻
TSAL6100 www.vishay.comVishay Semiconductors Rev. 1.8, 13-Mar-141Document Number: 81009 For technical questions, contact: emittertechsupport@vishay.com THIS DOCUMENT IS SUBJECT TO CHANGE WITHOUT NOTICE. THE PRODUCTS DESCRIBED HEREIN AND THIS DOCUMENT ARE SUBJECT TO SPECIFIC DISCLAIMERS, SET FORTH AT www.vishay.com/doc?91000
High Power Infrared Emitting Diode, 940 nm, GaAlAs, MQW DESCRIPTION TSAL6100 is an infrared, 940 nm emitting diode in GaAlAs multi quantum well (MQW) technology with high radiant power and high speed molded in a blue-gray plastic package.
FEATURES •Package type: leaded •Package form: T-1¾ •Dimensions (in mm): Ø 5 •Peak wavelength:λp = 940 nm •High reliability •High radiant power •High radiant intensity •Angle of half intensity: ϕ = ± 10° •Low forward voltage •Suitable for high pulse current operation •Good spectral matching with Si photodetectors •Material categorization:For definitions of compliance please see www.vishay.com/doc?99912 APPLICATIONS •Infrared remote control units with high power reqirements •Free air transmission systems •Infrared source for optical counters and card readers •IR source for smoke detectors Note •Test conditions see table “Basic Characteristics” Note •MOQ: minimum order quantity
94 8389 PRODUCT SUMMARY COMPONENTIe (mW/sr)ϕ (deg)λp (nm)tr (ns) TSAL6100170± 1094015 ORDERING INFORMATION ORDERING CODEPACKAGINGREMARKSPACKAGE FORM TSAL6100BulkMOQ: 4000 pcs, 4000 pcs/bulkT-1¾ ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS(Tamb = 25 °C, unless otherwise specified) PARAMETERTEST CONDITIONSYMBOLVALUEUNIT Reverse voltageVR5V Forward currentIF100mA Peak forward currenttp/T = 0.5, tp = 100 μsIFM200mA Surge forward currenttp = 100μsIFSM1.5A Power dissipationPV160mW Junction temperatureTj100°C Operating temperature rangeTamb-40 to +85°C Storage temperature rangeTstg-40 to +100°C Soldering temperaturet ≤ 5 s, 2 mm from caseTsd260°C Thermal resistance junction/ambientJ-STD-051, leads 7 mm soldered on PCBRthJA230K/W
TSA www.vishay.comVishay Semiconducto Rev. 1.8, 13-Mar-142Docum For technical questions, contact: emittertechsupport@vishay.com THIS DOCUMENT IS SUBJECT TO CHANGE WITHOUT NOTICE. THE PRODUCTS DESCRIBED HEREIN AND THIS DOC ARE SUBJECT TO SPECIFIC DISCLAIMERS, SET FORTH AT www.vishay.com/doc?91000
Fig. 1 - Power Dissipation Limit vs. Ambient Temperature Fig. 2 - Forward Current Limit vs. Ambien
020
40
60
80100
120
140
160
180 0102030405060708090100 21211Tamb - Ambient Temperature (°C)
P - Power Dissipation (mW) V
RthJA= 230 K/W 02040
60
80100
120 010203040506070 Tamb - Ambient Temperature (°C)21212IF - Forward Current (mA)
RthJA= 230 K/W BASIC CHARACTERISTICS (Tamb = 25 °C, unless otherwise specified) PARAMETERTEST CONDITIONSYMBOLMIN.TYP.MA Forward voltageIF = 100 mA, tp = 20 msVF1.351.6 IF = 1 A, tp = 100μsVF2.23 Temperature coefficient of VFIF = 1 mATKVF-1.8 Reverse currentVR = 5 VIR10 Junction capacitanceVR = 0 V, f = 1 MHz, E = 0Cj40 Radiant intensityIF = 100 mA, tp = 20 msIe80170400 IF = 1 A, tp = 100μsIe6501450 Radiant powerIF = 100 mA, tp = 20 msφe40 Temperature coefficient of φeIF = 20 mATKφe-0.6 Angle of half intensityϕ± 10 Peak wavelengthIF = 100 mAλp940 Spectral bandwidthIF = 100 mAΔλ30 Temperature coefficient of λpIF = 100 mATKλp0.2 Rise timeIF = 100 mAtr15 Fall timeIF = 100 mAtf15
