VI. Modulation d’amplitude VII. Modulation de fréquence

(1)

Des oscillateurs à la radio

École Polytechnique Universitaire de Nice Sophia-Antipolis

Pascal MASSON

(pascal.masson@unice.fr)

Edition 2012-2013

(2)

IV. Oscillateurs à porte logique

VI. Modulation d’amplitude VII. Modulation de fréquence

Sommaire

V. La radio

I. Présentation des oscillateurs II. Oscillateurs à transistor

III. Oscillateurs à AOP

VIII. Haut parleurs, micros et antennes

(3)

I. Présentation des oscillateurs

 Un oscillateur est un amplificateur (A) qui utilise une boucle de retour (B) positive.

I.1. Principe de l’oscillateur : définition

 La portion du signal de sortie réinjectée en entrée est en phase avec le signal d’entrée.

 Si A introduit un déphasage de 180° alors B doit aussi introduire un déphasage de 180°.

B A

entrée sortiev_e v_s

v_f

(4)

 La tension de sortie s’écrit :

I.2. Principe de l’oscillateur : conditions d’oscillation

B A

v_f

AB 1

H A V

V e

s   



_s _e



s A. B.V V

V  



_e _f



s A. V V

V  

 La fonction de transfert en boucle fermée a pour expression :

soit :

I. Présentation des oscillateurs

(5)

 La tension de sortie s’écrit :

I.2. Principe de l’oscillateur : conditions d’oscillation

B A

v_f

AB 1

H A V

V e

s   



_s _e



s A. B.V V

V  



_e _f



s A. V V

V  

 La fonction de transfert en boucle fermée a pour expression :

soit :

 Ce résultat montre que le gain H peut devenir infini en fonction du gain de la boucle de retour.

 Dans ce cas il est possible d’avoir un signal de sortie en l’absence de signal d’entrée.

I. Présentation des oscillateurs

(6)

 Pour avoir des oscillations, il faut répondre aux deux critères de Barkhausen :

I.2. Principe de l’oscillateur : conditions d’oscillation

B A

v_f

 Le déphasage total de la boucle (amplificateur + boucle de retour) doit être exactement de 0° ou 360°.

 Le gain total de la boucle (amplificateur + boucle de retour) doit être de 1 soit : |A.B|=1

I. Présentation des oscillateurs

(7)

 |A.B| > 1, oscillations divergentes

I.2. Principe de l’oscillateur : conditions d’oscillation

 |A.B| = 1, oscillations entretenues

 |A.B| < 1, oscillations amorties

I. Présentation des oscillateurs

(8)

 En pratique on n’a pas besoin de signal à l’entrée.

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

B

A v_s

v_f

 Le bruit électrique présent dans les composants et les fils est amplifié.

I. Présentation des oscillateurs

(9)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

B

A v_s

v_f

I. Présentation des oscillateurs

(10)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

B

A v_s

v_f

 La boucle de retour sert de filtre et sélectionne une fréquence du signal V_S

I. Présentation des oscillateurs

(11)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

 La boucle de retour sert de filtre et sélectionne une fréquence du signal V_S

 La sinusoïde est amplifiée puis filtrée par B et enfin réinjectée dans l’amplificateur

B

A v_s

v_f

I. Présentation des oscillateurs

(12)

 On peut aussi avoir une saturation de l’amplificateur, à cause du gain total supérieur à 1, qui donne un signal de sortie non sinusoïdal.

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

B

A v_s

v_f

I. Présentation des oscillateurs

(13)

 On peut aussi avoir une saturation de l’amplificateur, à cause du gain total supérieur à 1, qui donne un signal de sortie non sinusoïdal.

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

B

A v_s

v_f

I. Présentation des oscillateurs

(14)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

 Un signal carré se décompose en somme de sinusoïdes d’amplitudes et de fréquences différentes

-4 -2 0 2 4

0 0.001 0.002 0.003

F A

F₀

I. Présentation des oscillateurs

(15)

-4 -2 0 2 4

0 0.001 0.002 0.003

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀

I. Présentation des oscillateurs

(16)

-4 -2 0 2 4

0 0.001 0.002 0.003

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀ 5F₀

I. Présentation des oscillateurs

(17)

-4 -2 0 2 4

0 0.001 0.002 0.003

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀

I. Présentation des oscillateurs

(18)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀ B

A v_s

v_f

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀

 La boucle de retour réinjecte en entrée la fréquence fondamentale (F₀) de V_S

 Donc B est un filtre de type :

A. Passe haut avec F_C < F₀ B. Passe bas avec F₀ < F_C < 3F₀ C. Passe bas avec F_C < F₀ D. Passe bande centré autour de F₀

I. Présentation des oscillateurs

(19)

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀ B

A v_s

v_f

I. Présentation des oscillateurs

(20)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀ B

A v_s

v_f

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀

I. Présentation des oscillateurs

(21)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀ B

A v_s

v_f

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀

I. Présentation des oscillateurs

(22)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀ B

A v_s

v_f

F A

F₀ 3F₀ 5F₀ 7F₀

I. Présentation des oscillateurs

(23)

I.3. Principe de l’oscillateur : oscillations en pratique

 Pour éviter cette saturation, on peut utiliser un Control Automatique de Gain

 Si l’amplitude de V_S est trop grande alors A diminue et inversement.

B

A v_s

v_f

CAG

I. Présentation des oscillateurs

(24)

I.4. Les types d’oscillateur

 Le filtre est réalisé avec des capacités, selfs et résistances et l’agencement de ces éléments donne le nom de l’oscillateur :

I. Présentation des oscillateurs

 L’amplificateur peut être un simple classe A constitué d’un seul transistor ou alors un amplificateur opérationnel (AOP)

Colpitts Clapp Quartz Hartley

Pont de Wein Déphasage

(25)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 L'oscillateur Colpitts, inventé par Edwin H. Colpitts, est l'une des nombreuses configurations possibles d'oscillateur électronique.

 Introduction

 Ses principaux atouts résident dans sa réalisation simple et dans sa robustesse.

 La fréquence d'oscillation est déterminée par deux condensateurs et une inductance.

 Il existe une multitude de configuration pour l’oscillateur Colpitts et nous étudions ici celui qui utilise un amplificateur de classe A à un transistor.

A v_s

v_f

(26)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Amplificateur : transistor monté en émetteur commun.

 Analyse du montage

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B A

(27)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B

 Filtre : C-L-nC.

C L

n.C B

A

(28)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂ A

I_B

C L

n.C B

 On connecte la sortie de B sur l’entrée de A

(29)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂ A

I_B

C L

n.C B

 En régime statique L est un court circuit qui relie le collecteur à la base ce qui change la polarisation de la base.

(30)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B

C L

n.C B

 En régime statique L est un court circuit qui relie le collecteur à la base ce qui change la polarisation de la base.

A C₁

 La capacité C₁ est une capacité de liaison

(31)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 C₁ et les résistances à sa droite forment un :

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

A C₁ A. Passe bas

C. Passe haut D. Coupe bande B. Passe bande

(32)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 C₁ et les résistances à sa droite forment un :

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

A C₁ D. Coupe bande

B. Passe bande

A. Passe bas

C. Passe haut

(33)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

A C₁ A. Après F₀

C. A F₀

B. Avant F₀

 La fréquenceF_C1 du passe haut liée à C₁ doit se situer

(34)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

C. A F₀

B. Avant F₀ F

A

F₀ F_C1

(35)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

C. A F₀

B. Avant F₀

F A

F₀ F_C1

(36)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ V_DD

I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

C. A F₀

B. Avant F₀

F A

F₀ F_C1

(37)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

A C₁ A. OUI

 Si F_C1 se situe avant F₀, est ce que C₁ joue un rôle dans le calcul de F₀

B. NON F

A

F₀ F_C1 V_DD

(38)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

A C₁ A. OUI

 Si F_C1 se situe avant F₀, est ce que C₁ joue un rôle dans le calcul de F₀

B. NON F

A

F₀ F_C1

 Donc on peut enlever C₁

du schéma petit signal V_DD

(39)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Schéma petit signal

R₃ I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

A C₁

V_DD

 On sait que C₁ ne joue pas de rôle donc on l’enlève

(40)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ I_P R₁

R₂

I_B C L

n.C B

A

V_DD

 On ne garde que les éléments qui présentent une variation de tension ou de courant.

(41)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃

i_b C L

n.C B

A

V_DD

R₁//R₂

Masse/V_DD

(42)

.I_B

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ i_b

C L

n.C B

A

V_DD

R₁//R₂

Masse/V_DD

(43)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R₃ i_b

C L

n.C B

A

V_DD

R₁//R₂ h_ie

Masse/V_DD/E C

1/h_oe B

h_fe.i_b

(44)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

i_b

C L

n.C B

A

R₁//R₂ h_ie

Masse/V_DD/E h_fe.i_b

1/h_oe R₃

C B

(45)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

i_b

C L

n.C B

A

R₁//R₂ h_ie

Masse/E/V_DD h_fe.i_b

1/h_oe R₃

R_A R_B

 On peut associer des résistances pour simplifier le schéma.

C B

(46)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

C L

n.C B

A

R_A

Masse/E/V_DD

h_fe.i_b R_B

 On peut associer des résistances pour simplifier le schéma.

C B

(47)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Association des 2 quadripôles

C L

n.C B

A

R_A

Masse/E/V_DD

h_fe.i_b R_B

 Il existe 4 associations possibles : parallèle-parallèle / série-série / parallèle-série / série-parallèle

C B

(48)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

C L

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

C B

Masse/E/V_DD

(49)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

C L

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

C B

Masse/E/V_DD

(50)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

C L

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

C B

Masse/E/V_DD

(51)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

C L

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

C B

Masse/E/V_DD

(52)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Il faut retourner horizontalement le filtre pour faire apparaitre le type d’association

B A

C

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

L C B

Masse/E/V_DD

(53)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

B A

R_A h_fe^.i_b R_B

 Il est possible d’associer autrement les 2 quadripôles

 Il faut évidement choisir la configuration la plus simple pour les calculs

B A

n.C

C L

C B

Masse/E/V_DD

(54)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

I₂^’ V₁^’ V₂^’

I₁^{’ ’} I₂^{’ ’} V₁^{’ ’} Q ^’’ V₂^{’ ’} Q

Q^’ I₁^’

V₁ V₂

I₁ I₂

 On utilise les matrices admittances [Y’] et [Y’’] des deux quadripôles associés.



 



 



 



 



 





' V

' . V ' Y ' Y

' Y ' Y '

I ' I

2 1 22

21

12 11

2 1

et 



 



 



 



 



 





'' V

'' . V '' Y '' Y

'' Y '' Y ''

I '' I

2 1 22

21

12 11

2 1

 Comme et













'' I ' I I

2 2 2

1 1 1







'' V ' V V

2 2

2

1 1

1

alors :

           

_



 



 



 



 

 



 



 



 



 



 



 



 



 



 





2 1 2

1 2

1

V . V V Y

. V '' Y '

'' Y V

'' . V '' ' Y

V ' . V ' '' Y

I '' I '

I ' I I

I

 Rappel sur l’association parallèle - parallèle

(55)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Association parallèle – parallèle et conditions d’oscillation

y 0 y . y y

R y 1

y . y y

V Y I

11 21 22 12

11 C

21 22 12

1

E 1   







 Le quadripôle équivalent s’écrit : ''

Y ' Y Y  

avec

 Le courant d’entrée, I₁, est nulle

 L’admittance en entrée est donnée par la théorie des quadripôles :



C  R

0 y

. y y

.

y₁₁ ₂₂  ₁₂ ₂₁  ^{Soit :} ReY  0 ^et ImY 0 Q ^’’

Q^’

V₁ V₂

I₁ I₂

y_E

 Admittance d’entrée

 Conditions d’oscillation

(56)

 On utilise les matrices hybrides [H’] et [H’’] des deux quadripôles associés.

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Rappel sur l’association série - parallèle



 



 



 



 



 





' V

' . I ' h ' h

' h ' h '

I ' V

2 1 22

21

12 11

2 1

et 



 



 



 



 



 





'' V

'' . I

'' h '' h

'' h '' h ''

I '' V

2 1 22

21

12 11

2 1

 Comme et







'' V ' V V

'' I ' I I

2 2

2

1 1

1













'' I ' I I

'' V ' V V

2 2

2

1 1

1

           

_



 



 



 



 

 



 



 



 



 



 



 



 



 



 





2 1 2

1 2

1

V . I V H

. I '' H '

'' H V

'' . I

'' ' H

V ' . I ' '' H

I '' V '

I ' V I

alors : V

I₂^’ V₁^’ V₂^’

I₁^{’ ’} I₂^{’ ’} V₁^{’ ’} Q ^’’ V₂^{’ ’} Q

Q^’ I₁^’

V₂ I₂ I₁

V₁ I₁^’ I₁^{’ ’} I₁

(57)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Association série – parallèle et conditions d’oscillation

 Impédance d’entrée

 Conditions d’oscillation

h 0 h . h h

R h 1

h . h h

I Z V

22 21 11 12

22 C

21 11 12

1

E 1   







 Le quadripôle équivalent s’écrit : ''

H ' H H  

avec

 La tension d’entrée, V₁, est nulle

 L’impédance en entrée est donnée par la théorie des quadripôles :



C  R

0 h

. h h

.

h₁₁ ₂₂ ₁₂ ₂₁  ^{soit :} ReH  0 ^et ImH  0 Q ^’’

Q^’

V₂ I₂ I₁

Z_E

V₁

(58)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Conditions d’oscillation en association parallèle-parallèle

C

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

L

 On choisit cette association car configuration du filtre est en 

C B

Masse/E/V_DD

(59)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

R_A h_fe^.i_b R_B

 Matrice de l’amplificateur

V₁ V₂

I₁ I₂

2 A 1

1 V 0.V

R

I  1 

B 2 ie 1

2 fe b B

fe

2 .V

R V 1

h . V h

R . i. 1

h

I    

D’où la matrice :













B ie

fe A

R 1 h

h R 0

1

C B

Masse/E/V_DD

(60)



















pL pC 1

pL

1 pL

npC 1

2 1

2 V

L j C 1 j L V

j

I 1 

 





 



 





II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Matrice de l’amplificateur

V₁ V₂

I₁ I₂



₁ ₂



₁ ₂

1

1 V

L j V 1

L j nC 1 j

V L V

j nCV 1

j

I   

 





 





 







D’où la matrice : C

n.C L

avec p  j

Masse/E/V_DD

(61)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Déterminant de l’oscillateur

 Matrice équivalente des deux quadripôles :



















pL pC 1

R 1 pL

1 h

h

pL 1 pL

npC 1 R

1

B ie

fe A

 Les conditions d’oscillation sont déterminées par :



 



 

 



 



  



 



  



 pL

1 h

h pL

1 pL

pC 1 R

1 pL

npC 1 R

Y 1

ie fe B

A

 Après développement :

 

_



 



  

 



 



 



 ie A B

fe B

A B

A 2

2

R 1 R

1 h

h pL

1 R

n R

pC 1 R

R 1 1

L n C C

np 0

(62)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Séparation des parties réelle et imaginaire Réelle :



 



  

 



 



 



 ie A B

fe B

A R

1 R

1 h

h L j

1 R

n R

C 1 j 0

 

B A 2

2

R R 1 1

L n nC C

0      

Imaginaire:

 Déterminant de l’oscillateur

(63)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Fréquence d’oscillation

 La partie réelle permet d’obtenir une expression simple de la pulsation :

nC R

R L n

1 n LC

1

B

0    A



(64)

n 1 n LC

1 nC

R R

L n

1 n LC

1

B

0    A  



II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 La partie réelle permet d’obtenir une expression simple de la pulsation :

 En pratique, les valeurs choisies pour les éléments du montage permettent de négliger le deuxième terme de la racine ce qui donne une expression plus simple pour la fréquence d’oscillation :



 

 

 

 

 nC

1 C

1 L 1 2

1 n

1 1 LC

1 2

F₀ 1

Si n >> 1 :

LC 2

F₀ 1

 

(65)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Détermination du gain

 Entretien des oscillations :

B A

ie fe B

A 2

R 1 R

1 h

h R

n R

CL 1    



 



 



On remplace  par son expression (₀) :

B A

ie fe B

A R

1 R

1 h

h R

n R

1 n

1

n    

 



 



Pour simplifier, on suppose que

R₁ // R₂ >> h_ie, donc R_A  h_ie : nh 1 0 R

h

n fe

B 2 ie







Qui a pour solution :











  

 B

2 ie fe fe fe

B

R 4 h h

h h 2 n R

n ne peut être que positif donc :

B 2 ie

fe R

4 h h 

(66)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Visualisation de l’oscillation (LTSpice)

 On regarde le signal au niveau du collecteur

 Les oscillations sont divergentes puis se stabilisent.

 Existence d’une sur-tension (V_DD = 9 V)

V_DD = 9 V

(67)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Visualisation de l’oscillation (LTSpice)

 On regarde le signal en sortie du filtre

 Le signal a été filtré et ressemble plus à une sinusoïde

(68)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Visualisation de la phase du circuit (LTSpice)

 La boucle est coupée

 On applique une tension en entrée de l’amplificateur

 Le filtre est chargé par une résistance équivalent à la résistance d’entrée de l’ampli (R₁ // R₂ // R_S)

(69)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Visualisation de la phase du circuit (LTSpice)

 La boucle est coupée

 On applique une tension en entrée de l’amplificateur

 360 ° 0 °

F₀ F_CL

Phase

(70)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Applications : émetteur de morse

 Oscillateur alimenté avec V_DD via un interrupteur

C

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

L C B

Masse/E/V_DD

Antenne

 Interrupteur ouvert : pas d’oscillation

 Interrupteur fermé plus ou moins longtemps : oscillations

S

S O

(71)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Applications : le détecteur de métal

 Modification de la valeur de L en présence de métal

C

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

L C B

Masse/E/V_DD

(72)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Applications : le détecteur de métal

(73)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Applications : ultra-son

 Oscillations entre 16kHz et 10 MHz

C

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

L C B

Masse/E/V_DD

(74)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Applications : ultra-son

(75)

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Applications : émission AM

 Modification du gain de l’amplificateur (via R_S) avec la voix

C

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

L C B

Masse/E/V_DD

Antenne

0 t

(76)

0 t

II. Oscillateurs à transistor

II.1. Oscillateur Colpitts (réseau LC)

 Applications : émission FM

 Modification de la fréquence du filtre (via la capacité C_BE du transistor qui s’additionne à n.C) avec la voix

C

n.C B

A

R_A h_fe^.i_b R_B

L C B

Masse/E/V_DD

Antenne

(77)

II. Oscillateurs à transistor

R₃ V_DD

C₁

I_P R₁

R₂

C L

n.C

II.2. Oscillateur Clapp (réseau LC)

 L'oscillateur Clapp, inventé par James K. CLAPP en 1948, est une variante du Colpitts qui a la réputation d’être plus stable en fréquence.

 On ajoute une capacité en série avec la bobine.

C₃

 Oscillateur particulièrement bien adapté aux fréquences élevées, même plusieurs gigahertz

(78)

II. Oscillateurs à transistor

II.2. Oscillateur Clapp (réseau LC)

 Il n’est pas nécessaire de reprendre l’intégralité des calculs si l’on remarque que la bobine L doit être remplacée par :

pC3

pL 1 '

pL  

2C3

L 1 '

L    soit :

 On ré-écrit l’expression de la fréquence d’oscillation : soit :

 Remarque : la condition d’entretien des oscillations reste inchangée

(79)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur Clapp (réseau LC)

 Il n’est pas nécessaire de reprendre l’intégralité des calculs si l’on remarque que la bobine L doit être remplacée par :



 

 

 













 

 nC

1 C

L 1

2 3 0 02

pC3

pL 1 '

pL  

2C3

L 1 '

L    soit :

 On ré-écrit l’expression de la fréquence d’oscillation : soit :



 



  



0 C3

1 nC

1 C

1 L

1

 Remarque : la condition d’entretien des oscillations reste inchangée

(80)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 Dès 1880, Pierre et Jacques Curie étudient les propriétés électriques des cristaux qui les ont menés à découvrir le phénomène de piézo-électricité

 Inversement, une force de compression exercée parallèlement à une direction du cristal (appelé axe mécanique) provoque l’apparition de charges électriques sur les deux faces perpendiculaires à l’axe électrique. Pour une une force de traction, on constate que le signe des charges s'inverse. Plus l'effort mécanique est important, plus il y a de charges.

 Les quartz est un matériau piézoélectrique pour lequel l’application d’un champ électrique provoque l’apparition de forces mécanique.

(81)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 La lamelle de quartz est reliée grâce à deux électrodes de connexion.

 Schéma électrique du quartz

C_Q L_Q

R_Q C_M

 Symbole du quartz :

 Le schéma électrique du quartz est constitué par :

 Une capacité C_Q, une bobine L_Q et une résistance R_Q dont les valeurs dépendent de la nature et des caractéristiques du quartz.

 Une capacité C_M qui correspond aux deux armatures et au quartz comme diélectrique.

(82)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 Exemple de quartz

C_Q (10^15 F) L_Q

(H)

R

() C_M

(10^12 F)

Q Fréquence

de résonance

32 768 Hz 7 860

1 MHz 10 MHz

100 kHz 50

4 0,01

3 50

6 30

32 000 400 240

5

1,5 8 3 8

50 000 80 000 110 000 100 000

 Valeurs des éléments du quartz

(83)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 A partir du schéma électrique du quartz on trouve l’expression de son impédance :

 Impédance du quartz

P M P

Q M

Q

S Q S

Q

C j

1

C 1 C

1 L

j 1 R

C L j 1 R

Z 



 







 



 











 







 







 



 



 _S est la fréquence série :

Q S Q

C L

 1



 _P est la fréquence parallèle :











 





M Q Q

P

C 1 C

L 1

1

(84)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 Impédance du quartz Z

_S _P  inductif

capacitif capacitif

 Les fréquences f_S et f_P sont très proches.

 Entre ces deux fréquences, le quartz a un comportement inductif sinon il est capacitif.

(85)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 Oscillateur colpitts à quartz

 La bobine est remplacée par le quartz et le circuit oscille lorsque le quartz a un comportement inductif.

R₃ V_DD

C₁

I_P R₁

R₂

C

n.C

 Cela se produit pour une fréquence comprise entre f_S et f_P et comme elles sont très proche, la fréquence de l’oscillateur est donnée avec une très grande précision.

 Il existe une multitude de montages oscillants qui utilisent le quartz.

(86)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 Cette technologie est très fiable, et une montre qui fonctionne au quartz ne perd qu’une seconde tous les six ans !

 Montre à quartz

 1967 voit le développement, par le Centre électronique horloger de Neuchâtel, de la première montre-bracelet à quartz du monde, la fameuse Beta 21.

(87)

II. Oscillateurs à transistor

II.3. Oscillateur à quartz

 Horloge en électronique numérique

 Une horloge à quartz sert à cadencer les opérations

 L’horloge a une forme de créneaux

(88)

II. Oscillateurs à transistor

II.4. Oscillateur Hartley (réseau LC)

 L'oscillateur Hartley, inventé par Ralph Hartley, est l'une des nombreuses configurations possibles d'oscillateur électronique. L'oscillateur Hartley est le dual de l'oscillateur Colpitts.

 Ses principaux atouts résident dans sa réalisation simple et dans sa robustesse.

 La fréquence d'oscillation est déterminée un condensateur et une bobine à point milieu.

 Il existe une multitude de configuration pour l’oscillateur Hartley et nous étudions ici celui qui utilise un amplificateur de classe A à un transistor.

(89)

II. Oscillateurs à transistor

 La capacité C₁ et C₂ sont des capacités de liaison qui empêchent L₁ de court- circuiter la base et L₂ de court-circuiter le collecteur

R₃ V_DD

C₁

I_P R₁

R₂

 Filtre : L₁ – C – L₂

C C₂

II.4. Oscillateur Hartley (réseau LC)

L₁ L₂

(90)

II. Oscillateurs à transistor

 Le schéma petit signal est quasi identique à celui obtenu pour l’oscillateur Colpitts

 Schéma petit signal, association et matrices

II.4. Oscillateur Hartley (réseau LC)

B A

R_A B

h_fe^.i_b C

R_B

C

L₂ L₁

 Le filtre est en  et on choisit une association parallèle-parallèle