Un oscillateur LC convertit une entrée DC (la tension d’alimentation) en une sortie AC (l’onde). Cette onde de sortie peut avoir une gamme très variée de formes et de fréquences, allant de formes complexes à de simples ondes sinusoïdales pures, selon l’application.

Les oscillateurs sont utilisés dans de nombreux équipements de test produisant des ondes sinusoïdales, carrées, en dents de scie ou triangulaires, ou simplement une série de pulses répétitifs d’une largeur variable ou constante. Les oscillateurs LC sont couramment utilisés dans les circuits de radiofréquence en raison de leurs bonnes caractéristiques de bruit de phase et leur facilité de mise en œuvre.

Un oscillateur est essentiellement un amplificateur avec un « retour d’information positif », ou un retour d’information régénératif (en phase). L’un des nombreux problèmes dans la conception de circuits électroniques est d’empêcher les amplificateurs d’osciller tout en essayant de faire oscillier les oscillateurs.

Les oscillateurs fonctionnent car ils surmontent les pertes de leur circuit résonateur de retour d’information, soit sous la forme d’un condensateur, d’un inducteur ou des deux dans le même circuit, en appliquant de l’énergie DC à la fréquence requise dans ce circuit résonateur. En d’autres termes, un oscillateur est un amplificateur qui utilise un retour d’information positif pour générer une fréquence de sortie sans l’utilisation d’un signal d’entrée appliqué de l’extérieur.

Ainsi, les oscillateurs sont des circuits autonomes générant une onde de sortie périodique à une fréquence sinusoïdale unique. Pour qu’un circuit électronique fonctionne comme un oscillateur, il doit contenir les trois caractéristiques suivantes :

• Une forme d’amplification
• Un retour d’information positif (régénération)
• Un réseau de retour d’information déterminant la fréquence

Un oscillateur dispose d’un amplificateur de retour d’information à faible signal avec un gain de boucle ouvert égal ou légèrement supérieur à un pour que les oscillations commencent, mais pour continuer les oscillations, le gain moyen de boucle doit revenir à l’unité. En plus de ces composants réactifs, un dispositif amplificateur tel qu’un amplificateur opérationnel ou un transistor bipolaire est nécessaire.

Contrairement à un amplificateur, aucun signal d’entrée AC externe n’est requis pour faire fonctionner l’oscillateur, car l’énergie d’alimentation DC est convertie par l’oscillateur en énergie AC à la fréquence requise.

Circuit de retour d’information d’oscillateur de base

Où : β est une fraction de retour d’information.

Gain d’oscillateur sans retour d’information

Gain d’oscillateur avec retour d’information

Les oscillateurs sont donc des circuits électriques qui génèrent une onde de sortie de tension continue à une fréquence unique requise. Des inducteurs, des condensateurs ou des résistances sont utilisés pour former un circuit résonant sélectif en fréquence, qui est essentiellement un filtre passe-bande passif permettant à la fréquence désirée de passer, et un réseau de retour d’information.

Le réseau de retour d’information « alimente » un petit pourcentage du signal de sortie de retour à l’entrée afin de maintenir le circuit en oscillation. La quantité de retour d’information positif utilisée doit être suffisamment importante pour surmonter toutes les pertes dans le circuit afin que les oscillations puissent être maintenues indéfiniment.

Le réseau de retour d’information est essentiellement un circuit d’atténuation ayant un gain de tension inférieur à un ( β <1 ). Les oscillations commencent lorsque Aβ >1 et reviennent ensuite à l’unité ( Aβ =1 ) une fois que les oscillations sont soutenues.

La fréquence des oscillateurs LC est contrôlée à l’aide d’un circuit inductif/capacitif (LC) accordé ou résonnant, avec la fréquence de sortie résultante connue sous le nom de fréquence d’oscillation. En faisant du retour d’information de l’oscillateur un réseau réactif, l’angle de phase du retour d’information variera en fonction de la fréquence, et cela s’appelle le décalage de phase.

Il existe essentiellement deux types d’oscillateurs :

• 1. Oscillateurs Sinusoidaux   –   connus comme Oscillateurs Harmoniques, ce sont généralement un type d’oscillateur « à retour d’information accordé LC » ou « à retour d’information accordé RC » qui génère une onde purement sinusoïdale avec une amplitude et une fréquence constantes.
• 2. Oscillateurs Non-Sinusoidaux   –   connus comme Oscillateurs de Relaxation, ils génèrent des formes d’onde complexes non sinusoïdales qui changent très rapidement d’une condition de stabilité à une autre, comme les ondes carrées, en dents de scie ou triangulaires.

Résonance de l’oscillateur

Lorsqu’une tension constante mais de fréquence variable est appliquée à un circuit constitué d’un inducteur, d’un condensateur et d’une résistance, la réactance des circuits Capacitor/Résistance et Inductor/Résistance change à la fois l’amplitude et la phase du signal de sortie par rapport au signal d’entrée en raison de la réactance des composants utilisés.

À des fréquences élevées, la réactance d’un condensateur est très basse, agissant comme un court-circuit, tandis que la réactance de l’inducteur est élevée, agissant comme un circuit ouvert. À basse fréquence, l’inverse est vrai, la réactance du condensateur agit comme un circuit ouvert et la réactance de l’inducteur agit comme un court-circuit.

Entre ces deux extrêmes, la combinaison de l’inducteur et du condensateur produit un circuit « accordé » ou « résonant » ayant une fréquence résonante, ( ƒr ) pour laquelle les réactances capacitives et inductives sont égales et s’annulent, ne laissant que la résistance du circuit pour s’opposer au flux de courant. Cela signifie qu’il n’y a pas de décalage de phase lorsque le courant est en phase avec la tension. Considérons le circuit ci-dessous.

Circuit Tank d’Oscillateur LC de Base

Le circuit se compose d’une bobine inductive, L, et d’un condensateur, C. Le condensateur stocke l’énergie sous la forme d’un champ électrostatique, produisant un potentiel (tension statique) à travers ses plaques, tandis que la bobine inductive stocke son énergie sous la forme d’un champ électromagnétique. Le condensateur est chargé à la tension d’alimentation DC, V, en mettant l’interrupteur en position A. Lorsque le condensateur est complètement chargé, l’interrupteur passe en position B.

Le condensateur chargé est maintenant connecté en parallèle à la bobine inductive, donc le condensateur commence à se décharger à travers la bobine. La tension à travers C commence à baisser alors que le courant à travers la bobine commence à augmenter.

Ce courant croissant crée un champ électromagnétique autour de la bobine qui s’oppose à ce flux de courant. Lorsque le condensateur, C, est complètement déchargé, l’énergie qui était initialement stockée dans le condensateur, C, en tant que champ électrostatique est maintenant stockée dans la bobine inductive, L, sous la forme d’un champ électromagnétique autour des enroulements de la bobine.

Comme il n’y a pas de tension externe dans le circuit pour maintenir le courant dans la bobine, il commence à diminuer alors que le champ électromagnétique commence à s’effondrer. Une tension de retour est induite dans la bobine (e = -Ldi/dt), maintenant le courant circulant dans la direction d’origine.

Ce courant charge le condensateur, C, avec la polarité opposée à sa charge originale. C continue de se charger jusqu’à ce que le courant réduise à zéro et que le champ électromagnétique de la bobine se soit complètement effondré.

L’énergie initialement introduite dans le circuit via l’interrupteur a été renvoyée au condensateur qui a de nouveau un potentiel de tension électrostatique à travers elle, bien qu’elle soit désormais d’une polarité opposée. Le condensateur commence alors à se décharger à nouveau à travers la bobine, et tout le processus se répète. La polarité de la tension change à mesure que l’énergie se transmet entre le condensateur et l’inducteur produisant une tension et un courant de type sinusoïdal AC.

Ce processus forme ensuite la base d’un circuit tank d’oscillateur LC et théoriquement, ce cycle de va-et-vient continuera indéfiniment. Cependant, les choses ne sont pas parfaites et à chaque transfert d’énergie du condensateur, C, à l’inducteur, L, et inversement, certaines pertes d’énergie se produisent, ce qui amortit progressivement les oscillations à zéro au fil du temps.

Cette action oscillatoire de transfert d’énergie entre le condensateur, C, et l’inducteur, L, se poursuivrait indéfiniment s’il n’y avait pas de pertes d’énergie dans le circuit. L’énergie électrique se perd dans la résistance continue ou réelle des bobines de l’inducteur, dans le diélectrique du condensateur et dans le rayonnement du circuit, de sorte que l’oscillation diminue progressivement jusqu’à ce qu’elle disparaisse complètement et que le processus s’arrête.

Ainsi, dans un circuit LC pratique, l’amplitude de la tension oscillatoire diminue à chaque demi-cycle d’oscillation et finira par s’écrouler à zéro. Les oscillations sont alors dites « amorties » et le degré d’amortissement est déterminé par la qualité ou le facteur Q du circuit.

Oscillations Amorties

La fréquence de la tension oscillatoire dépend de la valeur de l’inductance et de la capacité dans le circuit tank LC. Nous savons maintenant que pour qu’il y ait résonance dans le circuit tank, il doit y avoir un point de fréquence où la valeur de X_C, la réactance capacitive est égale à la valeur de X_L, la réactance inductive ( X_L = X_C ), et qui annulera donc l’autre, ne laissant que la résistance DC dans le circuit pour s’opposer à l’écoulement du courant.

Si nous plaçons maintenant la courbe de la réactance inductive de l’inducteur au-dessus de la courbe de la réactance capacitive du condensateur de telle manière que les deux courbes soient sur le même axe de fréquence, le point d’intersection nous donnera le point de fréquence de résonance, ( ƒ_r ou ωr ), comme indiqué ci-dessous.

Fréquence de Résonance

Où : ƒ_r est en Hertz, L est en Henrys et C est en Farads.

La fréquence à laquelle cela se produira est donnée par :

En simplifiant l’équation ci-dessus, nous obtenons l’équation finale pour la fréquence résonante, ƒ_r dans un circuit LC accordé comme suit :

Fréquence Résonante d’un Oscillateur LC

• Où :
• L est l’inductance en Henrys
• C est la capacité en Farads
• ƒ_r est la fréquence de sortie en Hertz

Cette équation montre que si L ou C sont diminués, la fréquence augmente. Cette fréquence de sortie est généralement donnée sous l’abréviation de ( ƒ_r ) pour l’identifier comme la « fréquence de résonance ».

Pour maintenir les oscillations dans un circuit tank LC, nous devons remplacer toute l’énergie perdue lors de chaque oscillation et également maintenir l’amplitude de ces oscillations à un niveau constant. La quantité d’énergie remplacée doit donc être égale à l’énergie perdue au cours de chaque cycle.

Si l’énergie remplacée est trop élevée, l’amplitude augmenterait jusqu’à ce que le clipping des rails d’alimentation se produise. Alternativement, si la quantité d’énergie remplacée est trop faible, l’amplitude finira par diminuer jusqu’à zéro au fil du temps et les oscillations s’arrêteront.

La manière la plus simple de remplacer cette énergie perdue est de prendre une partie de la sortie du circuit tank LC, de l’amplifier puis de la réintroduire dans le circuit LC à nouveau. Ce processus peut être réalisé en utilisant un amplificateur de tension utilisant un amplificateur opérationnel, un FET ou un transistor bipolaire comme dispositif actif. Cependant, si le gain de boucle de l’amplificateur à retour d’information est trop faible, l’oscillation souhaitée s’amenuise à zéro et si elle est trop élevée, l’onde devient distordue.

Pour produire une oscillation constante, le niveau d’énergie réintroduit dans le réseau LC doit être contrôlé avec précision. Il doit également y avoir une forme de contrôle automatique d’amplitude ou de gain lorsque l’amplitude essaie de varier par rapport à une tension de référence, soit à la hausse soit à la baisse.

Pour maintenir une oscillation stable, le gain global du circuit doit être égal à un ou unité. Moins que cela et les oscillations ne commenceront pas ou disparaîtront, et plus cela signifie que les oscillations se produiront, mais l’amplitude sera tronquée par les rails d’alimentation, entraînant une distorsion. Considérons le circuit ci-dessous.

Circuit de Base d’Oscillateur LC au Transistor

Un transistor bipolaire est utilisé comme amplificateur d’oscillateurs LC avec le circuit tank LC accordé agissant comme charge collecteur. Une autre bobine L2 est connectée entre la base et l’émetteur du transistor, dont le champ électromagnétique est « couplé mutuellement » à celui de la bobine L.

« L’inductance mutuelle » existe entre les deux circuits et le courant variable circulant dans un circuit de bobine induit, par induction électromagnétique, une tension potentielle dans l’autre (effet transformateur). Ainsi, lorsque les oscillations se produisent dans le circuit accordé, l’énergie électromagnétique est transférée de la bobine L à la bobine L2 et une tension de la même fréquence que celle dans le circuit accordé est appliquée entre la base et l’émetteur du transistor. De cette manière, la tension de rétroaction automatique nécessaire est appliquée au transistor amplificateur.

La quantité de retour d’information peut être augmentée ou diminuée en modifiant le couplage entre les deux bobines L et L2. Lorsque le circuit est en oscillation, son impédance est résistive et les tensions collecteur et base sont déphasées de 180^o. Pour maintenir les oscillations (appelées stabilité de fréquence), la tension appliquée au circuit accordé doit être « en phase » avec les oscillations se produisant dans le circuit accordé.

Par conséquent, nous devons introduire un décalage de phase supplémentaire de 180^o dans le chemin de retour d’information entre le collecteur et la base. Ceci est réalisé en enroulant la bobine de L2 dans la bonne direction par rapport à la bobine L, nous fournissant les bons rapports d’amplitude et de phase pour le circuit des oscillateurs, ou en connectant un réseau de décalage de phase entre la sortie et l’entrée de l’amplificateur.

Par conséquent, l’oscillateur LC est un « oscillateur sinusoïdal » ou un « oscillateur harmonique », comme il est plus communément appelé. Les oscillateurs LC peuvent générer des ondes sinusoïdales à haute fréquence pour des applications de type radiofréquence (RF), le transistor amplificateur étant un transistor bipolaire ou un FET.

Les oscillateurs harmoniques se présentent sous de nombreuses formes différentes, car il existe de nombreuses manières de construire un réseau de filtre LC et un amplificateur, les plus courantes étant l’oscillateur LC Hartley, l’oscillateur LC Colpitts, l’oscillateur Armstrong et l’oscillateur Clapp pour en nommer quelques-uns.

Exemple d’Oscillateur LC No1

Une inductance de 200 mH et un condensateur de 10 pF sont connectés ensemble en parallèle pour créer un circuit tank d’oscillateur LC. Calculez la fréquence d’oscillation.

Nous pouvons donc voir à partir de cet exemple que réduire la valeur soit de la capacité, C, soit de l’inductance, L, aura pour effet d’augmenter la fréquence d’oscillation du circuit tank LC.

Résumé des Oscillateurs LC

Les conditions de base requises pour un oscillateur LC dans un circuit tank résonnant sont les suivantes :

• Pour que des oscillations existent, un circuit d’oscillateur DOIT contenir un composant réactif (dépendant de la fréquence), soit un « inducteur », (L), soit un « condensateur », (C), ainsi qu’une source d’alimentation DC.
• Dans un circuit simple inducteur-capaciteur, LC, les oscillations deviennent amorties au fil du temps en raison des pertes de composants et de circuit.
• Une amplification de tension est requise pour surmonter ces pertes de circuit et fournir un gain positif.
• Le gain global de l’amplificateur doit être supérieur à un, unité.
• Les oscillations peuvent être maintenues en renvoyant une partie de la tension de sortie au circuit accordé, avec une amplitude correcte et en phase (0^o).
• Les oscillations ne peuvent se produire que lorsque le retour d’information est « positif » (auto-régénération).
• Le décalage de phase global du circuit doit être zéro ou 360^o afin que le signal de sortie du réseau de retour d’information soit « en phase » avec le signal d’entrée.

Dans le prochain tutoriel sur les oscillateurs, nous examinerons le fonctionnement de l’un des circuits d’oscillateur LC les plus courants qui utilise deux bobines inductives pour former une inductance à prise centrale dans son circuit tank résonant. Ce type de circuit oscillateur LC est communément appelé un oscillateur Hartley.