Oscillateur (électronique)

Tension de collecteur d'un oscillateur ondes courtes depuis la mise en contact jusqu’à saturation en amplitude.

On peut fabriquer un oscillateur en connectant un amplificateur à une boucle de contre-réaction convenablement calibrée[Rmq 1]. En respectant les conditions de mise en oscillation données par le critère de stabilité de Barkhausen, un amplificateur connecté à une boucle de fréquence donnée produit un signal vibratoire continu. Ces conditions se résument à ceci :

1. pour qu'il y ait un train continu d'oscillations, il faut que le gain de contre-réaction soit exactement de 1[2].
2. Pour cette fréquence, le déphasage de la boucle de contre-réaction doit être un multiple entier de 360°.

D'après la théorie, un gain de contre-réaction qui n’excéderait 1 que de façon minime, entraînerait une croissance indéfinie de l'amplitude des oscillations ; or pour que le circuit se mette spontanément à osciller, il faut bien qu'au démarrage le gain soit supérieur à 1 (cf. graphique ci-contre). Cette contradiction a conduit à préciser le comportement des circuits lorsqu'ils entrent en oscillation (ou cessent d'osciller), en traçant leurs courbes caractéristiques de fonctionnement. Deux phénomènes semblent dicter le comportement physique des circuits oscillants :

1. L'amplification dépend du point de fonctionnement et peut se traduire par une augmentation de gain lorsqu'on augmente la puissance d'entrée (activation vive) ou une diminution de gain de l'amplificateur[Rmq 2].
2. Avec une forte puissance, le signal amplifié (la vibration) sature.

En réalité, toutefois, l'amplitude des oscillations est évidemment limitée par la puissance de l'alimentation du circuit.

Principe de l'oscillateur à contre-réaction

Les oscillateurs à contre-réaction consistent en un amplificateur et un dipôle passif, dont la réponse dépend de la fréquence. La sortie de l’amplificateur alimente le dipôle, et la sortie du dipôle est elle même connectée en entrée à l’amplificateur (boucle de contre-réaction). Pour comprendre l'origine des oscillations, on peut faire abstraction de la contre-réaction : au lieu d'un circuit, on obtient alors une association de deux dipôles avec entrée (E) et sortie (A). Pour que le circuit fermé développe des oscillations, la phase du signal oscillant de sortie (φ3) doit coïncider avec celle du signal d'entrée φ1 (condition de phase).

Lorsque l’amplificateur crée un déphasage de 180° et que sa réponse est instantanée (délai ou retard nul), il faut que le dipôle passif crée, pour au moins une fréquence, un déphasage complémentaire de 180° afin que le signal de sortie soit en phase (360° = 0°) avec le signal d'entrée. La variation du déphasage du dipôle avec la fréquence d'entrée est représentée par un diagramme de phase.

Dans les oscillateurs à déphasage, le dipôle comporte (au moins) trois étages RC en série (filtre passe-haut ou passe-bas). Si chacun de ces étages crée un déphasage de 60°, il suffit d'en avoir trois pour produire un déphasage total de 180°. Lorsque l'amplificateur n'est pas saturé, la tension de sortie est sinusoïdale.

On peut fabriquer un circuit oscillant à courant de fuite à partir d'un composant présentant une résistance différentielle négative : par exemple une diode tunnel ou une diode Lambda, excités, délivrent une tension alternative. La condition est que la résistance du circuit soit nulle.L'alimentation est fournie par un générateur ou un batterie[3].

Pour les autres topologies d'oscillateur, basées par exemple sur la branche de caractéristique à pente négative comme l'oscillateur à relaxation, le critère de stabilité ne s'applique pas.

Oscillateur Hartley à base de transitors BFR96 ; les deux bobines sont bien reconnaissables.

Dans un oscillateur à résonance, la fréquence du signal est déterminée par un circuit LC, un quartz ou une céramique. L’oscillateur à résonance délivre un signal sinuoïdal de fréquence stable. Le principal champ d'application de ces oscillateurs harmoniques est la radiotechnique.

Plusieurs montages permettent de constituer un oscillateur harmonique :

• Oscillateur Colpitts
• Oscillateur Clapp
• Oscillateur à déphasage
• Oscillateur Pierce
• Oscillateur Hartley
• Oscillateur à variables d'état.

Le magnétron entre aussi dans cette catégorie, bien qu'il soit au premier chef un oscillateur à boucle de délai.

Il faut s'assurer que le résonateur possède facteur de qualité suffisamment élevé, afin que la bande passante du signal obtenu soit limitée par la proximité de la fréquence de résonance : cela réduit le nombre d'harmoniques dans le signal de sortie, lorsque l'étage amplificateur, disons un transistor, est saturé et émet une multitude d'harmoniques. Les oscillateurs à résonance (contrairement aux oscillateurs à pont de Wien) délivrent un signal à enveloppe quasi-sinusoïdale, même sans stabilisation d'amplitude.

La diode Gunn exploite le temps de parcours moyen des électrons d'un cristal.

Oscillateur M31102-1 à diode Gunn montée sur une cavité résonnante, avec distorsion par une tension continue (fils au second plan). Le potentiomètre modifie la fréquence de résonance et donc la fréquencede l'oscillateur.

Dans les oscillateurs à boucle de délai, c'est la durée des impulsions des différentes branches du circuit qui détermine la période (donc la fréquence) du signal de sortie. Le générateur de créneaux, avec ses inverseurs en cascade, en fournit un bon exemple ; mais on peut encore ranger dans cette catégorie les oscillateurs comme le « reflex klystron » ou l'oscillateur à diode Gunn, bien que tous deux comportent un circuit oscillant. Dans les oscillateurs à déphasage, la période du signal est déterminée par l'étage RC. Le domaine des oscillateurs à délai empiète en partie sur celui des oscillateurs à relaxation, car l’étage RC de ce dernier type, qui en détermine la fréquence de sortie, peut aussi faire fonction de boucle à retard.

Leur stabilité en fréquence est moyenne.

Un oscillateur à relaxation est un circuit LC. Ce n'est d'ailleurs pas un circuit oscillant au sens strict, car il ne génère pas de signal sinusoïdal. Sa fréquence de sortie est déterminée par la décharge d'un condensateur à travers un étage RC. Lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint un certain seuil, la tension de sortie est inversée (elle bascule) et le condensateur se recharge. Les circuits les plus courants dans ce genre sont le multivibrateur astable et les circuits LC. En accordant précisément ces circuits, on peut délivrer des signaux carrés ou triangulaires . Comme, outre la qualité de l'étage RC, la tension d'oscillation de différents composants conditionne la stabilité du signal de sortie, les oscillateurs à relaxation sont notoirement moins stables que les oscillateurs à résonance, et ils sont impropres à la radiotechnique. En revanche, on exploite cette légère instabilité pour en faire des sirènes électroniques ou des convertisseurs tension-fréquence en métrologie.