Dispositifs à semi-conducteurs - Oscillateurs
Un oscillateur est un circuit électronique qui génère des oscillations sinusoïdales appelées sinusoidal oscillator. Il convertit l'énergie d'entrée d'une source CC en énergie de sortie CA de forme d'onde périodique, à une fréquence spécifique et dont l'amplitude est connue. La caractéristique de l'oscillateur est qu'il maintient sa sortie CA.
La figure suivante montre un amplificateur avec un signal de retour même en l'absence d'un signal d'entrée appliqué de l'extérieur. Un oscillateur sinusoïdal est essentiellement une forme d'amplificateur de rétroaction, où des exigences particulières sont placées sur le gain de tensionAv et les réseaux de feedback β.
Considérons l'amplificateur de rétroaction de la figure ci-dessus, où la tension de rétroaction V f = βV O fournit la totalité de la tension d'entrée
$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)
$ V_i = A_V \ beta V_i $ Ou $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)
Si une tension de sortie doit être produite, la tension d'entrée ne peut pas être nulle. Par conséquent, pour que V i existe, l'équation (2) exige que
$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Ou $ A_V \ beta = 1 $ (3)
L'équation (3) est connue sous le nom de “Barkhausen criterion”, qui énonce deux exigences de base pour l'oscillation -
Le gain de tension autour de l'amplificateur et de la boucle de rétroaction, appelé gain de boucle, doit être égal à l'unité, ou $ A_V \ beta = 1 $.
Le déphasage entre $ V_i $ et $ V_f $, appelé déphasage de boucle, doit être nul.
Si ces deux conditions sont satisfaites, l'amplificateur de rétroaction de la figure ci-dessus générera une forme d'onde de sortie sinusoïdale de manière cohérente.
Parlons maintenant en détail de certains circuits d'oscillateur typiques.
Oscillateur à décalage de phase
Un circuit oscillateur qui suit la progression fondamentale d'un circuit de rétroaction est l'oscillateur à déphasage. Un oscillateur à déphasage est illustré dans la figure suivante. Les exigences relatives à l' oscillation sont que le gain de boucle (ßA) doit être supérieur à l' unité et le décalage de phase entre l' entrée et la sortie devrait être 360 o .
La rétroaction est fournie de la sortie du réseau RC à l'entrée de l'amplificateur. L'étage d'amplificateur op-amp fournit un décalage initial de 180 degrés et le réseau RC introduit une quantité supplémentaire de décalage de phase. À une fréquence spécifique, le déphasage introduit par le réseau est exactement de 180 degrés, donc la boucle sera de 360 degrés et la tension de retour est en tension d'entrée de phase.
Le nombre minimum d'étages RC dans le réseau de rétroaction est de trois, car chaque section fournit 60 degrés de déphasage. L'oscillateur RC est parfaitement adapté à la gamme de fréquences audio, de quelques cycles à environ 100 KHz. Aux fréquences plus élevées, l'impédance du réseau devient si faible qu'elle peut sérieusement charger l'amplificateur, réduisant ainsi son gain de tension en dessous de la valeur minimale requise, et les oscillations cesseront.
Aux basses fréquences, l'effet de charge n'est généralement pas un problème et les grandes valeurs de résistance et de capacité requises sont facilement disponibles. En utilisant l'analyse de base du réseau, l'oscillation de fréquence peut être exprimée comme
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$
Oscillateur de pont de Wien
Un circuit oscillateur pratique utilise un ampli-op et un circuit en pont RC, avec la fréquence de l'oscillateur réglée par le R et CComposants. La figure suivante montre une version de base d'un circuit d'oscillateur à pont de Wien.
Notez la connexion de base au pont. Les résistances R 1 et R 2 et les condensateurs C 1 et C 2 forment les éléments de réglage de fréquence, tandis que les résistances R 3 et R 4 font partie du chemin de rétroaction.
Dans cette application, la tension d'entrée (V i ) vers le pont est la tension de sortie de l'amplificateur, et la tension de sortie (V o ) du pont est une rétroaction vers l'entrée de l'amplificateur. En négligeant les effets de charge des impédances d'entrée et de sortie de l'ampli-op, l'analyse du circuit en pont entraîne
$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$
et
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$
Si R 1 = R 2 = R et C 1 = C 2 = C, la fréquence de l'oscillateur résultant est
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$
Oscillateur Hartley
La figure suivante montre l'oscillateur Hartley. C'est l'un des circuits RF les plus courants. Il est normalement utilisé comme oscillateur local dans un récepteur de diffusion de communication. Le transistor à jonction bipolaire à la borne d'émetteur commun est l'amplificateur de tension et est sollicité par un circuit de polarisation universel consistant en R 1 , R 2 , R E . Le condensateur de contournement d'émetteur (C E ) augmente le gain de tension de cet étage à transistor unique.
La self de radiofréquence (RFC) dans le circuit collecteur agit comme un circuit ouvert à la fréquence RF et empêche l'énergie RF de pénétrer dans l'alimentation. Le circuit de réservoir se compose de L 1 , L 2 et C. La fréquence des oscillations est déterminée par la valeur de L 1 , L 2 et C et est déterminée par les oscillations à la fréquence de résonance du circuit de réservoir LC. Cette fréquence de résonance est exprimée par
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$
Le signal de sortie peut être prélevé sur le collecteur par couplage capacitif, à condition que la charge soit importante et que la fréquence d'oscillation ne soit pas affectée.
Piézo-électricité
Les propriétés piézoélectriques sont présentées par un certain nombre de substances cristallines naturelles, dont les plus importantes sont le quartz, le sel de Rochelle et la tourmaline. Lorsqu'une tension sinusoïdale est appliquée sur ces matériaux, ils vibrent à la fréquence de tension appliquée.
En revanche, lorsque ces matériaux sont comprimés et soumis à des contraintes mécaniques pour vibrer, ils produisent une tension sinusoïdale équivalente. Par conséquent, ces matériaux sont appelés cristaux piézoélectriques. Le quartz est le cristal piézoélectrique le plus populaire.
Oscillateur à cristal
Le schéma de circuit de l'oscillateur à cristal est illustré dans la figure suivante.
Le cristal agit ici comme un circuit accordé. Le circuit équivalent d'un cristal est donné ci-dessous.
Un oscillateur à cristal a deux fréquences de résonance: la fréquence de résonance en série et la fréquence de résonance parallèle.
Fréquence de résonance série
$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
Fréquence de résonance parallèle
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$
Les deux fréquences de résonance sont presque les mêmes, car C / Cm est très faible. Dans la figure ci-dessus, le cristal est connecté pour fonctionner en mode résonnant parallèle.
Les résistances R 1 , R 2 , R E et le transistor forment ensemble un circuit amplificateur. Les résistances R 1 et R 2 fournissent une polarisation CC stabilisée en tension. Le condensateur (C E ) fournit une dérivation CA de la résistance d'émetteur (R E ) et le RFC fournit une impédance élevée à la fréquence générée par l'oscillateur, de sorte qu'ils n'entrent pas dans les lignes électriques.
Le cristal est en parallèle avec les condensateurs C 1 et C 2 et permet un retour de tension maximum du collecteur vers l'émetteur, lorsque son impédance est maximum. À d'autres fréquences, l'impédance du cristal est faible et donc la rétroaction résultante est trop petite pour supporter les oscillations. La fréquence de l'oscillateur est stabilisée à la fréquence de résonance parallèle du cristal.