Oscillateur contrôlé en tension

L’oscillateur contrôlé en tension (Voltage controlled oscillator / VCO) est un système électronique qui génère un signal dont la fréquence varie proportionnellement à la tension d'entrée.

Principe de fonctionnement

Applications

C'est un montage typiquement utilisé dans les PLL (Phase-Locked Loop, boucle à verrouillage de phase). Il permet ainsi de gérer la fréquence de sortie de la boucle de verrouillage, asservie avec la fréquence d'entrée. On retrouve également l'oscillateur contrôlé en tension en un ou plusieurs exemplaires dans les synthétiseurs analogiques. Pour cette application, la tension qui le contrôle dépend de la touche appuyée du clavier : la fréquence de l'oscillateur varie donc afin de générer les différentes hauteurs des notes de la gamme musicale..

Types d'oscillateurs contrôlés en tension

• Le multivibrateur.

• L'oscillateur en anneau.

• L'oscillateur à résonateur LC.

• L'oscillateur à inductance et diode Varicap

• Les oscillateurs basse fréquence construits autour d'un NE555

Spécifications

Bruit de phase

L'oscillateur contrôlé en tension est souvent utilisé dans les systèmes de radiocommunications sur les fréquences élevées et de ce fait doit présenter un bruit de phase minimum, d'autant plus que le canal de transmission est étroit.

Méthodes de réduction du bruit de phase:

Cette réduction du bruit de phase peut être réalisée en utilisant une boucle PLL rapide: Le spectre de bruit autour de la porteuse sera réduit de part et d'autre de cette porteuse, à une distance de la porteuse égale à la bande passante de la boucle de phase. L'inconvenient de cette méthode est bien sur que le VCO ne peut plus être modulé directement en fréquence par des fréquences inférieures à la bande passante de la boucle de phase...Si on désire effectuer quand même cette modulation, il faudra soit moduler la référence de la boucle de phase, soit effectuer une modulation vectorielle en aval.

Dans les autres cas (boucle lente), on réduira le bruit de phase en respectant les conditions suivantes:

- transistor à faible bruit.

- Q du circuit LC élevé. Y compris le Q en charge, obtenu en ouvrant la boucle de réaction; cela revient à peu coupler le transistor au circuit LC.

- utilisation de transistors bipolaires pour réduire le bruit très proche de la porteuse.

- niveau d'oscillation assez élevé. La limite est souvent constituée par la tension Rf aux bornes de la diode à capacité variable, qui doit rester nettement inférieure à la tension de commande de cette diode. Dans certaines applications, on est obligé d'utiliser des tensions de commandes varicap de plusieurs dizaines de volts.

- pour les pentes de VCO élevées, on fera enfin attention au bruit thermique ramené par les composants de la boucle : bruit de l'ampli opérationnel de la boucle, s'il existe. On calculera la tension de bruit thermique en sortie de boucle , qui multipliée par la pente du vCO donnera le bruit de phase apporté par la boucle. Une erreur communément faite consiste à placer une résistance de grande valeur pour introduire la tension sur la capacité variable: la tension de bruit thermique de cette résistance apporte un bruit de phase très large bande. On utilisera une résistance de faible valeur en série avec une inductance de choc, dont la fréquence de résonance parallèle sera centrée sur la bande de fonctionnement du VCO; L'utilisation d'une inductance seule amène en général une oscillation sur la fréquence d'accord de cette inductance, et l'utilisation d'une résistance seule de quelques centaines d'ohms amortit le circuit....

Le bruit de phase pourra être observé soit sur le spectre , (si l'analyseur de spectre possède un bruit inférieur, ce qui n'est pas toujours le cas!), soit sur un signal démodulé par un récepteur dont l'OL possède un bruit inférieur...

Fréquence minimum et fréquence maximum

La fréquence minimale est donnée par la tension inverse minimale appliquée sur la varicap(capacité variable), et la fréquence maximale par la tension maximale sur cette diode. Le couplage plus ou moins fort de la diode au circuit LC déterminera la bande couverte.

Réjection des alimentations

Comme tout oscillateur, un VCO peut être sensible aux variations des tensions d'alimentation. La boucle de phase pourra compenser les variations lentes, mais un filtrage de l'alimentation sera nécessaire pour les fréquences supérieures à la bande passante de la boucle de phase.

Réjection du bruit substrat

Pour les VCO de fréquences élevées, on constate une modulation de fréquence parasite due aux vibrations. Il faudra utiliser une self (ou une ligne) rigide, voire englobée dans un substrat à faible pertes dielectriques, mais amortissant les vibrations. Certains condensateurs peuvent également apporter cet effet "microphonique"; Enfin, pour les hyperfréquences, on peut constater des bruits de dilatation du substrat, lors de changement de températures; ces bruits peuvent être source d'erreurs en transmission de données .

Caractéristiques techniques à prendre en compte

- bande couverte - niveau de sortie - sensibilité aux variations de tension d'alimentation non rattrapées par la boucle - point d'entrée de la modulation FM eventuelle - linéarité de la fréquence en fonction de la tension de commande des diodes varicap. - bruit de phase - plage de la tension de commande.

Voir aussi

• Quartz

• Portail de l’électricité et de l’électronique