Contrôle de la fréquence des oscillateurs

Il est souvent possible de modifier et de contrôler la fréquence des oscillateurs, soit pour obtenir une accordabilité, soit pour modifier les propriétés d'exactitude, de reproductibilité et de stabilité, soit pour obtenir avec une grande précision une fréquence imposée.

1. Réglage électrique de la fréquence : VCO

Le principe est simple : agir, par l'intermédiaire d'une grandeur électrique (tension) sur la valeur de certains composants intervenant dans la fréquence de l'oscillation.

On peut rechercher une très grande accordabilité, ou au contraire une accordabilité très limitée destinée seulement à réaliser un réglage fin de la fréquence.

Une très grande accordabilité est facile à atteindre sur un montage multivibrateur (non quasi-sinusoïdal)

a. Montages astables

Le montage ci-dessous utilise un intégrateur (autour de l'ampli A1) et un trigger de Schmitt (autour de A2). Les deux amplificateurs opérationnels sont alimentés entre 0 et V0. Leurs tensions de saturation en sortie sont 0 et V0.

i Le trigger de Schmitt

La rétroaction résistive sur l'entrée + impose un comportement instable : la sortie S ne peut être qu'en saturation (0 ou V0).

Si S=V0

Alors l'entrée + est à 2V0/3 et A2 reste dans cet état tant que l'entrée - est à une tension inférieure à cette valeur.

Si S=0

Alors l'entrée + est à V0/3 et A2 reste dans cet état tant que l'entrée - est à une tension supérieure à cette valeur.

Bistabilité

Il existe donc pour l'entrée - une plage de fréquences (de V0/3 à 2V0/3) pour laquelle la sortie peut être dans un des deux états stables. La transition d'un état à l'autre se fait pour l'une des deux bornes de ce domaine selon le sens de variation de V-

Sur la figure de gauche, V- part de 0 et croît, sur la figure de droite, V- part de V0 et décroît.

Dans le montage, l'entrée V- de A2 est attaquée par la sortie de A1

ii L'intégrateur

Q est un transistor MOSFET à canal n. Il se comporte comme un court-circuit lorsque S = V0 et comme un circuit ouvert lorsque S = 0. L'intégrateur possède donc deux entrées qui sont additionnées avant d'être intégrées, l'une des deux entrées est attaquée par la tension Vc, l'autre est soit à la masse interrupteur fermé, soit en circuit ouvert (interrupteur ouvert).

Lorsque l'interrupteur est ouvert, le gain complexe aux basses fréquences (entre la sortie du montage intégrateur et son entrée Vc) est de la forme (faites le calcul) :

Lorsque l'interrupteur est fermé, ce gain complexe est au contraire :

La tension constante Vc, est donc intégrée dans les deux cas avec la même constante de temps, mais avec un signe différent. La sortie de A1 est donc une tension variant linéairement, avec une pente positive ou négative selon que Q est fermé ou ouvert.

On peut également étudier ce montage en statique ( Vc est constant) :

Si Q est ouvert, alors le courant traversant la résistance R et chargeant le condensateur C est

et la sortie de A1 décroît linéairement dans le temps avec la pente

Si Q est fermé, le courant de charge est la somme des courants traversant les deux résistances R et R/2 :

La tension de sortie de A1 croit donc linéairement avec la pente :

iii Le montage

Imaginons l'état initial suivant : la sortie de A1 vaut 0, la sortie de A2 se sature donc à V0 et l'interrupteur est donc fermé. La tension de sortie de A1 croit donc linéairement. Lorsqu'elle atteint la valeur 2V0/3, la sortie de A2 bascule à 0 et Q se ferme. La tension de sortie de Q1 décroît donc linéairement, jusqu'à atteindre le seuil V0/3 où la sortie de A2 bascule à 0 et le cycle recommence.

La sortie de A1 va donc osciller entre V0/3 et 2V0/3 (forme d'onde triangulaire) alors que la sortie S de A2 est un signal carré entre 0 et V0.

La durée d'une demi-période est le temps nécessaire pour que la sortie de A1 passe de V0/3 à 2V0/3 (ou inversement).

Loi de variation de la sortie de A1

Le courant de charge ou décharge du condensateur est . La tension au bornes de C varie donc avec la pente : (on retrouve la constante de temps 2RC). Le temps nécessaire pour varier de V0/3 est donc :, la période de l'oscillation est et la fréquence est . C'est une fonction linéaire de vc. Pour R=10 k, C=5 nF on trouve :

Cet oscillateur peut donc délivrer une fréquence comprise entre 0 et 15 kHz en faisant varier la tension de commande vc.

b. Oscillateur quasi sinusoïdal

Dans ce cas, la tension de commande agit sur un composant réactif. Il s'agit du varactor (capacité commandée par une tension)

i Varactor

On utilise la capacité d'une diode polarisée en inverse. Cette capacité dépend de la tension de polarisation.

ii Insertion dans un circuit

Des précautions doivent être prises pour insérer ce composant dans le circuit de réaction sélectif.

Exemple : le circuit résonant parallèle de l'oscillateur de Robinson. Il faut isoler le circuit de la tension de polarisation et la tension de commande de l'oscillation. D'où le montage suivant :