Un amplificateur à transistor à une seule étape peut produire un décalage de phase de 180^o entre ses signaux de sortie et d’entrée lorsqu’il est connecté comme un amplificateur en émetteur commun. Nous pouvons utiliser cette configuration pour produire un circuit oscillateur RC.

Cependant, nous pouvons configurer des étapes de transistor pour fonctionner comme des oscillateurs en plaçant des réseaux résistifs-capacitifs (RC) autour du transistor afin de fournir la rétroaction régénérative requise sans avoir besoin d’un circuit résonant. Les circuits amplificateurs couplés par RC sélectifs en fréquence sont faciles à construire et peuvent être réglés pour osciller à une fréquence désirée en sélectionnant les valeurs appropriées de résistance et de capacité.

Pour qu’un oscillateur RC maintienne ses oscillations indéfiniment, il est nécessaire de fournir une rétroaction suffisante de la bonne phase, c’est-à-dire une rétroaction positive (cohérente en phase) ainsi que le gain en tension de l’amplificateur à transistor unique utilisé pour injecter un gain de boucle adéquat dans le circuit en boucle fermée afin de maintenir les oscillations, permettant ainsi d’osciller continuellement à la fréquence sélectionnée.

Dans un circuit oscillateur RC, l’entrée est décalée de 180^o à travers le circuit de rétroaction renvoyant le signal hors de phase et de nouveau 180^o à travers une étape d’amplification inversante pour produire la rétroaction positive requise. Cela nous donne alors “180^o + 180^o = 360^o” de décalage de phase, ce qui est effectivement le même que 0^o, offrant ainsi la rétroaction positive requise. En d’autres termes, le décalage de phase total de la boucle de rétroaction doit être “0” ou tout multiple de 360^o pour obtenir le même effet.

Réseau de décalage de phase RC

Le circuit à gauche montre un réseau résistif-capacitif simple dont la tension de sortie “devance” la tension d’entrée de quelques degrés inférieurs à 90^o. Dans un réseau RC pur ou idéal à simple pôle, il produirait un décalage de phase maximum exactement de 90^o, et comme 180^o de décalage de phase est requis pour l’oscillation, au moins deux réseaux à simple pôle doivent être utilisés dans une conception d’oscillateur RC.

Cependant, en réalité, il est difficile d’obtenir exactement 90^o de décalage de phase pour chaque étape RC, nous devons donc utiliser plusieurs étapes RC en cascade pour obtenir la valeur requise à la fréquence d’oscillation. Le montant réel de décalage de phase dans le circuit dépend des valeurs de la résistance (R) et du condensateur (C), à la fréquence choisie des oscillations avec l’angle de phase ( φ ) étant donné par :

Angle de phase RC

Où : X_C est la réactance capacitive du condensateur, R est la résistance du résistor, et ƒ est la fréquence.

Dans notre exemple simple ci-dessus, les valeurs de R et C ont été choisies pour que, à la fréquence requise, la tension de sortie devance la tension d’entrée d’un angle d’environ 60^o. Ensuite, l’angle de phase entre chaque section RC successive augmente de 60^o, donnant une différence de phase entre l’entrée et la sortie de 180^o (3 x 60^o) comme l’indique le diagramme vectoriel suivant.

Diagramme vectoriel

Donc, en enchaînant ensemble trois de tels réseaux RC en série, nous pouvons produire un décalage de phase total dans le circuit de 180^o à la fréquence choisie et cela forme la base d’un “oscillateur RC” autrement connu sous le nom de oscillateur à décalage de phase car l’angle de phase est décalé d’un montant à travers chaque étape du circuit. Ensuite, le décalage de phase se produit dans la différence de phase entre les étapes RC individuelles. Il existe également des circuits amplificateurs opérationnels disponibles dans des paquets de circuits intégrés à quatre. Par exemple, le LM124 ou le LM324, etc., donc quatre étapes RC pourraient également être utilisées pour produire le décalage de phase de 180^o requis à la fréquence d’oscillation souhaitée.

Nous savons que dans un circuit amplificateur, que ce soit en utilisant un transistor bipolaire ou une configuration d’amplificateur opérationnel inversant, il produira un décalage de phase de 180^o entre son entrée et sa sortie. Si un réseau de décalage de phase RC à trois étapes est connecté en tant que réseau de rétroaction entre la sortie et l’entrée d’un circuit amplificateur, alors le décalage de phase total créé pour produire la rétroaction régénérative requise est : 3 x 60^o + 180^o = 360^o = 0^o comme indiqué.

Les trois étapes RC sont enchaînées pour obtenir la pente requise pour une fréquence d’oscillation stable. La phase de rétroaction du circuit est de -180^o lorsque le décalage de phase de chaque étape est de -60^o. Cela se produit lorsque jω = 2piƒ = 1/1.732RC (comme (tan 60^o = 1.732)). Ensuite, pour réaliser le décalage de phase requis dans un circuit oscillateur RC, il faut utiliser plusieurs réseaux de décalage de phase RC tels que le circuit ci-dessous.

Circuit oscillateur RC de base

Le RC Oscillator, également connu sous le nom d’oscillateur à décalage de phase, produit un signal de sortie sinusoidal à l’aide de la rétroaction régénérative obtenue à partir du réseau résistif-capacitif (RC). Cette rétroaction régénérative provenant du réseau RC est due à la capacité du condensateur à stocker une charge électrique, (similaire au circuit résonant LC).

Ce réseau de rétroaction résistif-capacitif peut être connecté comme indiqué ci-dessus pour produire un décalage de phase avancé (réseau avancé de phase) ou interverti pour produire un décalage de phase retardé (réseau de retard de phase), le résultat reste le même car les oscillations sinusoïdales n’ont lieu qu’à la fréquence à laquelle le décalage de phase global est de 360^o.

En variant une ou plusieurs des résistances ou des capacités dans le réseau de décalage de phase, la fréquence peut être modifiée et généralement, cela est réalisé en gardant les résistances constantes et en utilisant un condensateur variable à 3 gangs, car la réactance capacitive (X_C) change avec un changement de fréquence, les condensateurs étant des composants sensibles à la fréquence. Cependant, il peut être nécessaire de réajuster le gain de tension de l’amplificateur pour la nouvelle fréquence.

Si les trois résistances R sont égales en valeur, c’est-à-dire R₁ = R₂ = R₃, et les condensateurs C dans le réseau de décalage de phase sont également égaux en valeur, C₁ = C₂ = C₃, alors la fréquence des oscillations produites par l’oscillateur RC est simplement donnée par :

• Où :
• ƒ_r  est la fréquence de sortie de l’oscillateur en Hertz
• R   est la résistance de rétroaction en Ohms
• C   est la capacité de rétroaction en Farads
• N   est le nombre d’étapes de rétroaction RC.

C’est la fréquence à laquelle le circuit de décalage de phase oscille. Dans notre exemple simple ci-dessus, le nombre d’étapes est donné comme trois, donc N = 3 (√2*3 = √6). Pour un réseau RC à quatre étages, N = 4 (√2*4 = √8), etc.

Étant donné que la combinaison résistive-capacitive dans le réseau de ladder RC agit également comme un atténuateur, c’est-à-dire que le signal se réduit d’une certaine quantité à mesure qu’il traverse chaque étape passive.

On pourrait supposer que les trois sections de décalage de phase sont indépendantes les unes des autres, mais ce n’est pas le cas, car l’atténuation de rétroaction totale cumulée devient -1/29th ( Vo/Vi = β = -1/29 ) à travers les trois étapes.

Ainsi, le gain de tension de l’amplificateur doit être suffisamment élevé pour compenser ces pertes RC passives. Il est donc clair que pour produire un gain total de boucle de -1, dans notre réseau RC à trois étapes ci-dessus, le gain de l’amplificateur doit être égal ou supérieur à 29 pour compenser l’atténuation du réseau RC.

L’effet de charge de l’amplificateur sur le réseau de rétroaction a un effet sur la fréquence des oscillations et peut faire en sorte que la fréquence de l’oscillateur soit jusqu’à 25% plus élevée que calculée. Le réseau de rétroaction doit donc être alimenté par une source de sortie à haute impédance et alimenté dans une charge à faible impédance, comme un amplificateur à transistor en émetteur commun, mais il est encore préférable d’utiliser un amplificateur opérationnel  puisqu’il satisfait parfaitement ces conditions.

L’oscillateur RC avec amplificateur opérationnel

Lorsqu’ils sont utilisés comme oscillateurs RC, les oscillateurs RC à amplificateur opérationnel sont plus courants que leurs homologues à transistors bipolaires. Le circuit oscillateur se compose d’un amplificateur opérationnel à gain négatif et d’un réseau RC à trois sections qui produit le décalage de phase de 180^o. Ce réseau de décalage de phase est connecté de la sortie de l’amplificateur opérationnel à son entrée “inversante” comme indiqué ci-dessous.

Circuit d’oscillateur RC à décalage de phase avec amplificateur opérationnel

Comme la rétroaction est connectée à l’entrée inversante, l’amplificateur opérationnel est donc connecté dans sa configuration “amplificateur inversant” qui produit le décalage de phase requis de 180^o tandis que le réseau RC produit le autre décalage de phase de 180^o à la fréquence requise (180^o + 180^o). Ce type de connexion de rétroaction avec les condensateurs en série et les résistances connectées au potentiel de terre (0V) est connu sous le nom de configuration décalage de phase avancé. En d’autres termes, la tension de sortie devance la tension d’entrée, produisant un angle de phase positif.

Mais nous pouvons également créer une configuration de décalage de phase retardé en changeant simplement les positions des composants RC de manière à ce que les resistances soient connectées en série et les condensateurs connectés au potentiel de terre (0V), comme montré. Cela signifie que la tension de sortie retarde la tension d’entrée, produisant un angle de phase négatif.

Circuit d’oscillateur RC à décalage de phase retardé avec amplificateur opérationnel

Cependant, en raison de l’inversion des composants de rétroaction, l’équation originale pour la fréquence de sortie de l’oscillateur RC à décalage avancé est modifiée :

Bien qu’il soit possible d’enchaîner seulement deux étapes RC à simple pôle pour fournir le décalage de phase requis de 180^o (90^o + 90^o), la stabilité de l’oscillateur à basses fréquences est généralement faible.

Une des caractéristiques les plus importantes d’un oscillateur RC est sa stabilité de fréquence, qui est sa capacité à fournir une sortie sinusoïdale à fréquence constante sous des conditions de charge variables. En enchaînant trois voire quatre étapes RC, la stabilité de l’oscillateur peut être considérablement améliorée.

Les oscillateurs RC à quatre étapes sont généralement utilisés parce que les amplificateurs opérationnels disponibles dans le commerce sont en paquets de circuits intégrés à quatre. Donc, concevoir un oscillateur à 4 étapes avec 45^o de décalage de phase par rapport à chaque étape est relativement simple.

Les oscillateurs RC sont stables et fournissent un signal de sortie sinusoïdal bien formé, avec une fréquence proportionnelle à 1/RC et donc, une gamme de fréquences plus large est possible lorsqu’on utilise un condensateur variable. Cependant, les oscillateurs RC sont limités dans les applications de fréquence en raison de leurs limitations de bande passante pour produire le décalage de phase souhaité à des fréquences élevées.

Exemple d’oscillateur RC n°1

Un oscillateur à phase décalée RC à 3 étapes basé sur un amplificateur opérationnel est requis pour produire une fréquence de sortie sinusoïdale de 4kHz. Si des condensateurs de 2.4nF sont utilisés dans le circuit de rétroaction, calculez la valeur des résistances déterminant la fréquence et la valeur de la résistance de rétroaction requise pour maintenir les oscillations. Dessinez également le circuit.

L’équation standard donnée pour l’oscillateur RC à décalage est :

Le circuit doit être un oscillateur RC à 3 étapes qui comprendra donc des résistances égales et trois condensateurs égaux de 2.4nF.Étant donné que la fréquence d’oscillation est donnée comme 4.0 kHz, les valeurs des résistances sont calculées comme suit :

Le gain de l’amplificateur opérationnel doit être égal à 29 afin de maintenir les oscillations. La valeur des résistances d’oscillation est de 6.8kΩ, donc la valeur de la résistance de rétroaction de l’amplificateur opérationnel R_ƒ est calculée comme suit :

Circuit oscillateur RC avec amplificateur opérationnel

Dans le prochain tutoriel sur les oscillateurs, nous examinerons un autre type d’oscillateur RC appelé oscillateur Wien Bridge qui utilise des résistances et des condensateurs comme circuit résonant pour produire une forme d’onde sinusoïdale à basse fréquence.