1. GIND / G3EI : 2015 - 2016

2. Amplificateurs –O–Opérationnel –D–Des petits signaux –D–De puissance –A–Avec contre réaction Oscillateurs Générateurs de signaux.

3. 1.Structure générale d’un oscillateur 2.Applications des oscillateurs 3.Condition d’entretien des oscillations 4.Démarrage de l’oscillateur 5.Stabilisation en Amplitude 6.Exemples d’oscillateurs 7.Stabilisation en fréquence Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 3/41

4. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 4/41 1.Structure générale d’un oscillateur Un oscillateur (harmonique = signal sinusoïdal) est un système bouclé placé délibérément dans un état d’instabilité qui comporte : une chaîne directe qui joue le rôle d’un amplificateur un quadripôle de réaction qui réinjecte à l’entrée de l’amplificateur une fraction du signal de sortie il possède une sortie mais pas d’entrée à part l’alimentation H(p) K(p) XsXs XrXr + - XeXe ε =X e -X r La Transmittance totale T(p) = H(p). K(p)

5. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 5/41 2.Applications des oscillateurs Les oscillateurs sont des dispositifs essentiels dans les équipements électroniques puisqu’ils assurent la production et la stabilité en fréquence des signaux alternatifs nécessaires au fonctionnement : la fréquence de la porteuse d’un émetteur la fréquence de l’oscillateur local de réception dans le récepteur le signal d’horloge de tous les systèmes numériques etc… Oscillateur 1,6 GHz stabilisé par résonateur diélectrique Oscillateur 1MHz stabilisé par Quartz crystal oscillator 13 MHz

6. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 6/41 2.Applications des oscillateurs On trouve les oscillateurs dans : Téléphonie Electronique numérique Horloges Réseaux numérique

7. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 7/41 2.Applications des oscillateurs On trouve les oscillateurs dans : Militaire Médical Musique Transmissions TV Radio ….

8. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 8/41 3.Condition d’entretien des oscillations Lorsque le système oscille, il existe à sa sortie un signal sinusoïdal s(t) de fréquence f 0 et d’amplitude E : H (jω) K (jω) s(t)=E.cos(ω 0 t) E Pour que le système bouclé oscille, il faut qu’il existe une fréquence f 0 telle que T(p) = H(p). K(p) = 1 H(jω). K(jω) = 1 condition d’entretien des oscillations ou condition de Barkausen

9. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 9/41 3.Condition d’entretien des oscillations Lorsque le système oscille, il existe à sa sortie un signal sinusoïdal s(t) de fréquence f 0 et d’amplitude E : H (jω) K (jω) s(t)=E.cos(ω 0 t) E

10. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 10/41 3.Condition d’entretien des oscillations Exemple : X 6 1/6 E=18V E=3V

11. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 11/41 4.Démarrage de l’oscillateur Soit un système bouclé possédant une fréquence f 0 vérifiant la condition de Barkausen : A la mise sous tension, l’oscillation ne démarre pas H (jω) K (jω) ITIITI 0dB f ϕ = arg(T) f f0f0 f0f0

12. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 12/41 4.Démarrage de l’oscillateur Si on augmente un peu le gain de la chaîne directe, une sinusoïde d’amplitude croissante apparaît en sortie lorsque le régime transitoire est terminé, son amplitude finit par se stabiliser. H (jω) K (jω) ITIITI Règle : pour qu’un oscillateur démarre, il faut que le module de la transmittance de boucle à la fréquence f 0 soit plus grand que 1 … s(t)=E.cos(ω 0 t)

13. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 13/41 4.Démarrage de l’oscillateur ITIITI Lorsqu’on applique une perturbation à l’entrée d’un système linéaire, le comportement de ce système dépend de la position des pôles dans le plan complexe : on démontre qu’un système linéaire est instable s’il a au moins un pôle à partie réelle positive Si on veut construire un oscillateur, il faut se placer délibérément en instabilité et s’assurer de la présence d’au moins deux pôle complexes conjugués à partie réelle positive c’est pour arriver facilement à cette instabilité qu’on utilise un système bouclé dans lequel une fraction du signal de sortie est réinjecté à l’entrée de la chaîne directe par le quadripôle de réaction im Re

14. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 14/41 4.Démarrage de l’oscillateur Si on veut construire un oscillateur, il faut se placer délibérément en instabilité

15. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 15/41 5.Stabilisation en Amplitude 1.A la mise sous tension de l’oscillateur, les fluctuations dues à l’agitation thermique des électrons provoquent le démarrage de l’oscillation à condition qu’il existe une fréquence f 0 à laquelle - le déphasage total soit nul - l’amplification de la chaîne supérieure à 1. H (jω) K (jω) 2.Lorsque l’amplitude augmente, l’amplificateur sort de son domaine linéaire et le signal est forcément écrêté par l’étage d’amplification, ce qui conduit automatiquement à une diminution de l’amplification qui sera ainsi ramenée à 1.

16. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 16/41 5.Stabilisation en Amplitude si on compte sur l’écrêtage pour ramener le gain de boucle à 1, on obtient en sortie un signal sinusoïdal déformé et donc de mauvaise qualité Pour éviter cette déformation, on peut utiliser un amplificateur équipé d’un contrôle de gain qui diminue l’amplification aux fortes amplitudes l’amplification de boucle sera alors ramenée à 1 sans écrêtage du signal, ce qui limite la déformation et l’amplitude des harmoniques l’amplitude de l’oscillation se stabilisera à la valeur correspondant à une amplification de boucle égale à 1 5.1. Circuits de stabilisation de l’amplitude

17. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 17/41 5.Stabilisation en Amplitude 5.1. Circuits de stabilisation de l’amplitude

18. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 18/41 5.Stabilisation en Amplitude 5.1. Circuits de stabilisation de l’amplitude

19. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 19/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.1. L’oscillateur à pont de Wien Pour le filtre de Wien, on montre que la tension de sortie est en phase avec la tension d’entrée pour la fréquence La transmittance de ce filtre vaut alors : Filtre de Wien

20. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 20/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.1. L’oscillateur à pont de Wien La transmittance de ce filtre vaut alors :

21. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 21/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.2. L’oscillateur à réseau déphaseur Le réseau déphaseur constitué de 3 cellules RC introduit un déphasage de 180 ° entre l’entrée et la sortie à la fréquence : L'atténuation du filtre vaut alors :

22. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 22/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.2. L’oscillateur à réseau déphaseur

23. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 23/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.3. L’oscillateur à résistance négative

24. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 24/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.4. L’oscillateur LC de Pierce Lorsque la fréquence d’oscillation est supérieure à quelques MHz, le quadripôle de réaction est construit autour d’un circuit résonant LC série ou parallèle.

25. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 25/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.4. L’oscillateur LC de Pierce La condition d’entretien des oscillations impose : ƒ on en déduit la pulsation d’oscillation : et une condition sur le gain:

26. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 26/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.5. L’oscillateur LC de Collpits

27. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 27/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.5. L’oscillateur LC de Collpits

28. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 28/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.6. L’oscillateur LC de Clapp Le montage est dérivé du Collpits par ajout d’un condensateur C3 en série avec la bobine : lorsque le montage oscille, la branche L, C3 se comporte comme une bobine de valeur L’ : la fréquence d’oscillation est un peu plus élevée que sans le condensateur C3

29. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 29/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.6. L’oscillateur LC de Clapp ce montage est souvent transformé en VCO en remplaçant le condensateur C3 par une diode varicap dont la capacité diminue si la tension de commande Vc augmente

30. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 30/41 6.Exemples d’oscillateurs 6.7. L’oscillateur LC de Hartley Le montage est dérivé du Collpits en remplaçant le diviseur capacitif par un diviseur inductif : lorsque le montage oscille, la fréquence est déterminée par C1 et Lt=L1+L2 Le quadripole de réaction a une transmittance K qui dépend des valeurs des inductances L1 et L2 selon le montage utilisé ƒLe transistor apporte l’amplification en tension ou en courant nécessaire à l’entretien de l’oscillation

31. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 31/41 7.Stabilisation en fréquence

32. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 32/41 7.Stabilisation en fréquence de 32 kHz à 10 MHzde 1 MHz à 100 MHzde 100 MHz à 1 GHzde 500 MHz à 5 GHz au delà de 1 GHz

33. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 33/41 7.Stabilisation en fréquence 7.1. Le Quartz

34. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 34/41 7.Stabilisation en fréquence 7.1. Le Quartz

35. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 35/41 7.Stabilisation en fréquence 7.2. Exemples d’oscillateurs a Quartz

36. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 36/41 7.Stabilisation en fréquence 7.3. Résonateur a ondes de surface

37. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 37/41 7.Stabilisation en fréquence 7.3. Résonateur a ondes de surface

38. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 38/41 7.Stabilisation en fréquence 7.4. Le résonateur céramique coaxial

39. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 39/41 7.Stabilisation en fréquence 7.4. Le résonateur céramique coaxial

40. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 40/41 7.Stabilisation en fréquence 7.5. Le résonateur diélectrique

41. Cours électronique Analogique G3EI - GIND Année 2015 – 2016 41/41 7.Stabilisation en fréquence 7.5. Le résonateur diélectrique