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1 Jean-philippe muller Les oscillateurs sinuso dauxPhysique appliqu eLes oscillateursjean-philippe muller Les oscillateurs sinuso dauxSommaire1-Structure g n rale d un oscillateur2-Les applications des oscillateurs3-Condition d entretien des oscillations4-D marrage de l oscillateur5-Oscillogramme du d marrage de l oscillateur6-La stabilisation de l amplitude7-Circuits de stabilisation de l amplitude8-Puret spectrale d un oscillateur9-Bruit de phase d un oscillateur10-L oscillateur pont de Wien11-L oscillateur r seau d phaseur12-L oscillateur LC de Pierce13-L oscillateur LC de Collpits14-L oscillateur LC de Clapp15-L oscillateur LC de Hartley16-L oscillateur r sistance n gative17-Un autre point de vue sur le Collpits18-Principe de la stabilisation en fr quence19-Stabilisation de la fr quence par r sonateur20-Le quartz et le r sonateur c ramique21-Courbe d imp dance des r sonateurs22-Exemples d oscillateurs quartz23-R alisations commerciales d oscillateurs quartz24-R sonateur onde de surface25-Oscillateur r sonateur onde de surface26-Exemple d oscillateur r sonateur SAW27-Le r sonateur c ramique coaxial28-Oscillateur r sonateur c ramique coaxial29-Le r sonateur di lectrique30-Oscillateur r sonateur di lectrique31-Oscillateur 9.

2 9 GHz d un radar Doppler32-Oscillateur 10 GHz d une t te TV-satelliteFluorite octa drique sur un cristal de quartzjean-philippe muller Les oscillateurs sinuso daux1-Structure g n rale d un oscillateurUnoscillateur sinuso dal est un syst me boucl plac d lib r ment dans un tat d instabilit qui comporte : une cha ne directequi est un amplificateur Aopou transistor selon la fr quence de travail un quadrip le de r actionqui r injecte l entr e de l amplificateur une fraction du signal de sortie il poss de une sortie mais pas d entr e part l alimentation cha ne directe: H(p) cha ne de retour: K(p) transmittance de boucle: T(p) = H(p).K(p)Maquette didactique d un oscillateur 2 MHzcha ne directequadrip le de r actionABCD alimentationsortieH(p)ABK(p)DCjean-phili ppe muller Les oscillateurs sinuso daux2-Les applications des oscillateursLes oscillateurs sont des dispositifs essentiels dans les quipements lectroniques puisqu ils assurent la productionet la stabilit en fr quencedes signaux alternatifsn cessaires au fonctionnement comme.

3 La fr quence de la porteuse d un metteur la fr quence de l oscillateur local de r ception dans le r cepteur le signal d horloge de tous les syst mes num riques ,7 k22 pF18 pF18 pFQuartz 4 MHzDans les quipements actuels, les oscillateurs se pr sentent sous deux formes : l lectronique se trouve avec d autres fonctions dans un circuit int gr , les composants fixant la fr quence d oscillation tant ext rieurs l oscillateur avec les composants fixant la fr quence sont int gr s dans un boitier ind pendantOscillateur 4 MHz d un circuit num riqueOscillateur 1,6 GHz stabilis par r sonateur di lectriqueOscillateur 1 MHz stabilis par quartzjean-philippe muller Les oscillateurs sinuso daux3-Condition d entretien des oscillationsLorsque le syst me oscille, il existe sa sortie un signal sinuso dal s(t) de fr quence foet d amplitude E :1)().

4 (00= jKjH)( jHsortieE)( jK)cos(.)(0tEts =Pour que le syst me boucl puisse osciller, il faut qu il existe une fr quence fotelle que :condition d entretien des oscillations ou condition de BarkausenCette condition se traduit en pratique pardeux relations:)(/1)(00 jKjH=1)()()(000= = jKjHjTou sur le module :R gle : la fr quence d oscillation, l'amplification de la cha ne directe compense l'att nuation du quadrip le de r action.))(arg(.))(arg(00 jKjH =0))(arg(.))(arg())(arg(000=+= jKjHjTou sur la phase :R gle : la fr quence d oscillation, le d phasage introduit par la cha ne directe compense le d phasage du quadrip le de r muller Les oscillateurs sinuso daux4-D marrage de l oscillateurSoit un syst me boucl poss dant une fr quence fo laquelle la condition de Barkausenest v rifi e : la mise sous tension de ce dispositif, l oscillation ne d marre pas si on augmente un peu le gain de la cha ne directe, une sinuso de d amplitude croissante appara t en sortie lorsque le r gime transitoire est termin , son amplitude finit par se stabiliser1A0)(=tsITI)(0 jK1)(.)

5 01= jKA2A)(0 jK)cos(.)(0tEts =ffo0f = arg(T) )(.02> jKAR gle :pour qu un oscillateur d marre, il faut que le module de la transmittance de boucle la fr quence fo soit plus grand que muller Les oscillateurs sinuso daux5-Oscillogramme du d marrage de l oscillateuroscillant croissantImLorsqu on applique une perturbation l entr e d un syst me lin aire, le comportement de ce syst me d pend de la position des p lesdans le plan complexe : on d montre qu un syst me lin aire est instables il a au moinsun p le partie r elle positive si on veut construire un oscillateur, il faut se placer d lib r ment en instabilit et s assurer de la pr sence d au moins deux p le complexes conjugu s partie r elle positive c est pour arriver facilement cette instabilit qu on utilise un syst me boucl dans lequel une fraction du signal de sortie est r inject l entr e de la cha ne directe par le quadrip le de r action102030405060t en ms1234amplitude T sup rieur 1 l oscillation cro t T gal 1 l amplitude est stableReoscillantcroissant rapidecroissant lentOscillogramme du d marrage d un oscillateur (simulation)jean-philippe muller Les oscillateurs sinuso daux6-La stabilisation de l amplitudeQuestion.

6 Comment avoir la fois un gain de boucle sup rieur 1 pour le d marrage et gal 1 pour l entretien des oscillations ? la mise sous tension de l oscillateur, les fluctuations dues l agitation thermique des lectrons provoquent le d marrage de l oscillation condition qu il existe une fr quence fo laquelle le d phasage total soit nul et l amplification de la cha ne sup rieure 1. lorsque l amplitude augmente, l amplificateur sort de son domaine lin aire et le signal est forc ment cr t par l tage d amplification, ce qui conduit automatiquement une diminution de l amplification qui sera ainsi ramen e 1.)(0 jH)(0 jK cr tage cr tageamplificationatt nuation et filtrage)(0 jH)

7 (0 jKamplificationAux fortes amplitudes, l amplification de boucle est ramen e 1 par l cr tage, ce qui permet l entretien des >1att nuation et filtrageT=1En petits signaux, l amplification de boucle est sup rieure 1, ce qui permet le d marrage de l oscillateurjean-philippe muller Les oscillateurs sinuso daux7-Circuits de stabilisation de l amplitude si on compte sur l cr tage pour ramener le gain de boucle 1, on obtient en sortie un signal sinuso dal d form et donc de mauvaise qualit pour viter cette d formation, on peut utiliser un amplificateur quip d un contr le de gain qui diminue l amplification aux fortes amplitudes l amplification de boucle sera alors ramen e 1 sans cr tage du signal, ce qui limite la d formation et l amplitude des harmoniques l amplitude de l oscillation se stabilisera la valeur correspondant une amplification de boucle gale 1A=vs/veExemple de r alisation d amplificateur gain contr l : la diode associ e Rd, Rg et C produit une tension grille n gative qui augmente avec l amplitude du signal de sortie.)

8 Vgs = KVs la r sistance Drain-Sourcedu TEC d pend, dans la zone ohmique, de la tension grille Vgset de la tension de pincement Vp selon la relation: l amplifications crit: elle diminue si le niveau de la tension de sortie VsaugmenteVpVgsRRdsds =10psdsdsVKVRRRRRRAv ++=++=1'1'10 RdRgCRR vevsRdsl amplification diminue aux fortes amplitudesAmaxvejean-philippe muller Les oscillateurs sinuso daux8-Puret spectrale d un oscillateurLa qualit d un oscillateur sinuso dal est essentiellement valu e par analyse spectrale du signal sa sortie et mesure du taux de une fa on g n rale, pour maintenir le taux de distorsion une valeur faible , il faut : r gler l amplification une valeur juste sup rieure la valeur minimale correspondant un gain de boucle de 1 ou utiliser un dispositif de r gulation du gain pour viter l cr tageSpectre en sortie d un oscillateur 1 MHzFondamental -19 dBmHarmonique 3 -56 dBmHarmonique 4 -68 dBmHarmonique 2 -54 dBmCe signal contientun fondamentalet des harmoniques: F = -19 dBm = 25,1 mV H2 = -54 dBm = 0,45 mV H3 = -56 dBm = 0,35 mV H4 = -68 dBm = 0,09 mVFHHHtd242322++=%3,2023,01,2509,035,045 ,0222==++=dtLe taux de distorsion harmonique s crit:Remarque.

9 Ce taux de distorsion peut toujours tre am lior en faisant suivre d oscillateur d un filtre passe-bas oupasse-bandequi va att nuer les harmoniques ind gle :un bon oscillateur a un taux de distorsion faible, une valeur sup rieure 1% tant consid r e comme m diocre .jean-philippe muller Les oscillateurs sinuso daux9-Bruit de phase d un oscillateurHormis les harmoniques, le signal issu d un oscillateur peut tre affect de deux d fauts majeursmis en vidence par l analyseur de spectre : une modulation parasite(FM en g n ral ), due par exemple au 50 Hz suite un blindage insuffisant une instabilit al atoire in vitable due l agitation thermique et appel e bruit de phase le bruit de phase est mesur une certaine distance de la porteuse pour un cart de 500 Hz, le niveau est deNx= -45 dB sous la porteuse pour X etNy=-67 dB pour Y le bruit de phase BP est d fini pour une bande de 1 Hz, soit.

10 BP = N -10logBOscillateur XOscillateur YModulation parasite par du 180 HzBruit de phaseR solutionBandwith: B = 30 Hz+ 500 HzNa= -45 dBcNb=-67 dBcL oscillateur Xpr sente un bruit de phase 500 Hz de la porteuse de :BPx= -45 -10log(30) = -60 dBc/HzL oscillateur Yest plus performant puisqu il pr sente un bruit de phase 500 Hz de la porteuse de :BPy= -67 -10log(30) = -82 dBc/Hz le bruit de phase BP est exprim en dBc/Hz dBc = dB sous la porteuse (carrier)Spectre en sortie de 2 oscillateurs 1 GHz1 GHz+ 200 Hz+ 400 Hz+ 600 HzR gle :un bon oscillateur a un bruit de phase faible, une valeur sup rieure -40dBc/Hz +100 Hz tant consid r e comme m diocre .jean-philippe muller Les oscillateurs sinuso