L’oscillator Twin-T est un autre circuit oscillateur RC qui utilise deux réseaux RC connectés en parallèle pour produire une forme d’onde de sortie sinusoïdale d’une seule fréquence.
Oscillateurs Twin-T
Les oscillateurs Twin-T sont un autre type d’oscillateur RC qui produit une sortie en onde sinusoïdale pour des applications à fréquence fixe, similaire à l’oscillateur Wein-bridge. L’oscillateur Twin-T utilise deux réseaux RC en forme de “T” dans sa boucle de rétroaction (d’où le nom) entre la sortie et l’entrée d’un amplificateur inverseur.
Comme nous l’avons vu, un oscillateur est essentiellement un amplificateur avec une rétroaction positive qui a un gain de tension fixe nécessaire pour maintenir les oscillations, et l’oscillateur Twin-T ne fait pas exception.
La rétroaction est fournie par le réseau RC configuré en Twin-T, permettant à une partie du signal de sortie d’être renvoyée à la terminal d’entrée de l’amplificateur. Ainsi, le réseau RC Twin-T fournit un décalage de phase de 180o, l’amplificateur fournissant un autre 180o de décalage de phase. Ces deux conditions créent un total de 360o de décalage de phase permettant des oscillations soutenues.
Contrairement à l’oscillateur RC à décalage de phase typique qui configure les résistances et les condensateurs de rétroaction dans un réseau en échelle, ou à l’oscillateur Wein-bridge standard qui utilise les résistances et les condensateurs dans une configuration en pont.
Réseau Twin-T
Nous pouvons clairement voir qu’un des réseaux passifs RC a une réponse passe-bas, tandis que l’autre a une réponse passe-haut, et nous avons vu cette disposition de réseau RC auparavant dans notre tutoriel sur le Filtre Notch.
La différence cette fois-ci est que nous utilisons les réseaux RC combinés en parallèle configurés en T pour produire une réponse de type notch qui a une fréquence centrale ƒc égale à la fréquence nulle désirée d’oscillation.
En conséquence, les oscillations ne peuvent pas se produire à des fréquences supérieures ou inférieures à la fréquence de notch accordée en raison de la voie de rétroaction négative créée par le réseau Twin-T.
Cependant, à la fréquence accordée, toute rétroaction négative devient négligeable, permettant ainsi à la voie de rétroaction positive créée par le dispositif amplifiant de dominer, créant des oscillations à une fréquence unique (contrairement à l’oscillateur Wein-bridge qui peut être ajusté sur une large gamme de fréquences).
Pour le réseau R-C-R passe-bas :
Pour le réseau C-R-C passe-haut :
La combinaison de ces deux ensembles d’équations nous donnera l’équation finale pour la fréquence nulle ou centrale de la notch résultant en oscillations pour un réseau Twin-T.
- Où :
- ƒC est la fréquence des oscillations en Hertz
- R est la résistance de rétroaction en Ohms
- C est la capacité de rétroaction en Farads
- π (pi) est une constante d’une valeur d’environ 3.142
Avoir déterminé le réseau Twin-T pour l’oscillateur qui produit le décalage de phase requis de 180o, qui se produit à la fréquence nulle entre -90o à +90o (contrairement à zéro à 180o pour l’oscillateur Wein-bridge), nous avons besoin d’un circuit amplificateur pour fournir le gain de tension.
Les circuits oscillateurs Twin-T sont mieux réalisés en combinant le réseau de rétroaction RC avec un amplificateur opérationnel, car en raison de leurs caractéristiques d’impédance d’entrée élevée, les amplis op ont tendance à mieux fonctionner avec ce type d’oscillateur que les transistors.
Amplification Twin-T
Les amplificateurs opérationnels standard peuvent fournir un gain de tension élevé, une impédance d’entrée élevée ainsi qu’une impédance de sortie faible et sont donc d’excellents amplificateurs pour les oscillateurs Twin-T. À la fréquence d’oscillation, ƒc, le gain de rétroaction tombe à presque zéro, donc nous avons besoin d’un amplificateur avec un gain de tension beaucoup plus grand que un (unité).
La rétroaction positive requise pour l’oscillation est fournie par la résistance de rétroaction R1 tandis que la résistance R2 assure le démarrage. En règle générale, pour garantir que le circuit oscille aussi près que possible de la fréquence requise, le rapport de ces deux résistances doit être supérieur à cent (>100).
Pour obtenir le gain positif requis à la fréquence d’oscillation, nous pouvons utiliser une configuration d’amplificateur non inverseur où une petite partie du signal de tension de sortie est appliquée directement à la terminal d’entrée non inverseur (+) via un réseau de diviseur de tension adapté.
La rétroaction négative produite par le circuit oscillateur Twin-T est connectée à la terminal d’entrée inverseur (–). Cette configuration en boucle fermée produit un circuit oscillateur non inverseur avec une très bonne stabilité, une très haute impédance d’entrée et une faible impédance de sortie comme montré.
Circuit de l’Oscillateur Twin-T
Nous pouvons voir que l’oscillateur Twin-T reçoit sa rétroaction positive à l’entrée non inverseur via le réseau de diviseur de tension et sa rétroaction négative via le réseau RC Twin-T. Pour garantir que le circuit oscille à la fréquence unique requise, la résistance de la “jambe-T” R/2 peut être un potentiomètre ajustable, mais peut également être ajustée pour compenser les tolérances des condensateurs afin que le circuit oscille au démarrage.
Exemple d’Oscillateur Twin-T No1
Un circuit oscillateur Twin-T est requis pour produire un signal de sortie sinusoïdal de 1kHz pour une utilisation dans un circuit électronique. Si un amplificateur opérationnel avec un ratio de gain de 200 est utilisé, calculez les valeurs des composants déterminant la fréquence R et C, et les valeurs des résistances de gain.
La fréquence d’oscillation doit être de 1kHz, si nous choisissons une valeur raisonnable pour les deux résistances de rétroaction, R de 10kΩ (rappelez-vous que ces deux résistances doivent avoir des valeurs identiques), nous pouvons calculer la valeur de condensateur requise en utilisant la formule pour la fréquence des oscillations ci-dessus.
Ainsi, R = 10kΩ, et C = 16nF. Le condensateur central de la jambe-T 2C = 2 x 16nF = 32nF, donc la valeur préférée la plus proche de 33nF est utilisée.
Comme la valeur du condensateur de branche passe-haut est de 33nF et donc pas exactement égale à 2C (2 x 16nF), nous pouvons ajuster cette variation et garantir le bon démarrage des oscillations en ajustant la résistance de branche passe-bas de la même manière.
Ainsi, la valeur exacte de R(jambe) serait 10kΩ/2 = 5kΩ, mais la valeur calculée de cette résistance est donnée comme : R(jambe) = R/(33nF/16nF) = 4.85kΩ. Il est donc clair que l’utilisation d’un potentiomètre de 5kΩ satisferait nos exigences dans cet exemple.
Le gain de boucle de l’amplificateur opérationnel doit être de 200, donc si nous choisissons une valeur de 1kΩ pour R2, la résistance R1 sera de 200kΩ comme indiqué.
Circuit Final de l’Oscillateur Twin-T
Résumé du Circuit de l’Oscillateur Twin-T
Nous avons vu dans ce tutoriel que les Circuits d’Oscillateur Twin-T peuvent être facilement construits à l’aide de quelques composants passifs et d’un amplificateur opérationnel. Le circuit oscillateur Twin-T utilise un réseau RC accordé pour le circuit de rétroaction afin de produire la forme d’onde sinusoïdale de sortie requise. Étant constitué de deux réseaux T connectés ensemble en parallèle, ils fonctionnent en phase opposée l’un par rapport à l’autre, créant zéro sortie à la fréquence nulle, mais une sortie finie à toutes les autres fréquences.
En conséquence, le circuit n’oscillera pas à des fréquences supérieures ou inférieures à la fréquence accordée en raison de la rétroaction négative à travers le réseau RC Twin-T. Par conséquent, à la fréquence nulle, la tension à l’entrée non inverseur de l’amplificateur opérationnel est en phase avec sa tension de sortie, donnant lieu à des oscillations continues à la fréquence désirée.
Pour s’assurer que la fréquence d’oscillation soit aussi proche que possible de la fréquence nulle, un potentiomètre peut être utilisé dans la résistance de jambe-T de l’étage passe-bas pour équilibrer le réseau RC pour le démarrage et la pureté de la forme d’onde de sortie.
Un des principaux inconvénients de l’oscillateur “twin-T” est que la fréquence d’oscillation et la qualité de la forme d’onde de sortie dépendent beaucoup de l’interaction des résistances et des condensateurs dans le réseau Twin-T, il est donc clair que les valeurs et la sélection de ces composants doivent être précises pour assurer l’oscillation à la fréquence nulle désirée.