Electronique

Septembre 2004
Electronique
Oscillateurs harmoniques
(oscillateurs de type Pierce)
Ce TP consiste à concevoir et réaliser deux oscillateurs à quartz de type Pierce.
Le premier utilise un transistor comme étage de gain, le second utilise une porte logique
inverseuse. Ce dernier montage est typique des oscillateurs permettant de générer les horloges
des micro-processeurs ou autres circuits similaires (micro-contrôleurs, circuits numériques
programmables, etc...).
1.0 Matériel:
•
•
•
•
•
•
•
•
1 alimentation simple 5 V minimum
1 oscilloscope + sonde
1 quartz à 2,4576 MHz
1 transistor BC547C
1 circuit 74HCU04
1 inductance 1 µH
2 condensateurs tantale 1 µF
résistances et condensateurs divers
2.0 Oscillateur à quartz et transistor
L’oscillateur Pierce est basé sur l’utilisation d’un amplificateur de gain négatif (déphasage de 180°) et d’un ensemble
quartz + condensateur connecté entre l’entrée et la sortie pour introduire un déphasage supplémentaire de 180°. Le
système ainsi formé permet de réaliser une réaction qui, sous certaines conditions, va rendre le montage instable et le
faire osciller.
Dans cette première partie, l’amplificateur est formé par un étage émetteur commun chargé par un circuit RLC.
L’utilisation d’une charge résonante plutôt que résistive va permettre d’introduire un déphasage supplémentaire qui
garantira le démarrage des oscillations.
1
2.1
•
Préparation
Tracer qualitativement l’allure du gain et du déphasage en fonction de la fréquence pour un montage émetteur
commun chargé par un circuit RLC parallèle.
Vcc
Vout
Vin
•
Le schéma de l’oscillateur utilisé par la suite est donné à la figure 1.
Vcc
RB1
Quartz
2,4576 MHz
+
Cdecouplage
1 µF
Lc
1 µH
Cs
BC547C
RB2
Cp
+
CB
RE
100 pF
Rcharge
50 Ω
CE
1 µF
Figure 1: oscillateur Pierce à transistor
Calculer la valeur des différents composants pour satisfaire aux conditions suivantes:
• tension d’alimentation = 5 V,
• courant collecteur au repos ≈ 1 mA,
• tension d’émetteur au repos de 2 à 3 V,
• fréquence de résonance ≈ 10% plus basse que la fréquence d’oscillation avec un quartz à 2,4576 MHz (ceci
permet d’avoir une charge légèrement capacitive à la fréquence d’oscillation, et donc d’introduire un
déphasage supplémentaire),
• gain du montage à la fréquence de résonance ≈ 100.
Indication:
- donner l’expression analytique de l’impédance correspondant à Cs, Cp et Rcharge.
- calculer la valeur des divers éléments pour qu’à la fréquence d’oscillation, cette impédance corresponde à
celle d’un circuit parallèle ReqCeq où la valeur de Ceq est déterminée à partir de la fréquence de
résonance souhaitée et celle de Req est déterminée à partir de la valeur de gain souhaitée.
Cs
Z = R + j.X
•
Cp
Rcharge
Z = R + j.X
Ceq
Req
Etude en boucle ouverte.
2
L’étude de la stabilité (ou de l’instabilité) du montage s’effectue par l’analyse en boucle ouverte. Dans le cas
présent, l’oscillateur peut être représenté de la manière suivante:
Zf
ic = gm.vbe
vbe
Zb
Zc
Figure 2: représentation équivalente de l’oscillateur
Zc représente la charge au collecteur du transistor (Lc, Cs, Cp et Rcharge), Zb représente la charge totale
ramenée sur la base (RB1, RB2, CB, rπ), Zf est l’impédance équivalente du quartz (cf figure 3).
4,23 pF
530 mH 7,92 fF 82 Ω
Figure 3: schéma électrique équivalent du quartz
Pour que le montage soit instable, il faut que le gain de boucle ouverte ait une amplitude supérieure à 1 lorsque
le déphasage atteint 360°. Vérifier par simulation que cette condition est remplie avec les valeurs de RB1, RB2,
Cs et Cp déterminées précédemment. (Utiliser et éditer le fichier open_loop.SchDoc pour étudier par une
analyse AC l’amplitude et la phase du gain de boucle v(out)/v(in).)
2.2
Manipulation
• Câbler le montage et vérifier son fonctionnement.
Relever la tension en différents points du montage, avec ou sans la sonde d’oscilloscope.
Ce type de circuit étant très sensible aux éléments parasites, soigner la réalisation (faire des connexions les plus
courtes possibles, éviter les longs fils volants, etc...).
• Modifier le courant de polarisation (en modifiant la valeur de RE) et relever son influence sur l’amplitude des
oscillations.
3.0 Oscillateur à quartz et porte logique
Dans ce qui suit, l’amplificateur est réalisé à partir d’une porte logique inverseuse polarisée au point métastable par
une résistance connectée entre l’entrée et la sortie. Le schéma complet de l’oscillateur est celui de la figure 4.
R1 ≈ 1 MΩ
Vcc = 5 V
Cdecouplage
1 µF
R2 ≈ 2 kΩ
+
74HCU04
C1 ≈ 50 pF
2,4576 MHz
C2 ≈ 50 pF
Figure 4: oscillateur Pierce à porte inverseuse
3
C’est cette configuration que l’on retrouve dans la plupart des circuits d’horloge de micro-processeurs. Le quartz (non
intégrable) ainsi que les capacités C1 et C2 sont alors externes, les autres composants étant directement intégrés dans
le circuit.
3.1
•
•
Préparation
Expliquer le rôle des divers composants qui constituent l’oscillateur.
La figure 5 donne la caractéristique de la porte inverseuse (pour Vcc = 4,5 V). Donner le point de repos et le gain
approximatif de l’amplificateur réalisé à partir de ce composant.
Figure 5: caractéristique du 74HCU04
3.2
Manipulation
•
Réaliser le montage de la figure 4.
Relever la tension en différents points du montage, avec ou sans sonde d’oscilloscope.
Mesurer le courant consommé.
•
La résistance R2 peut parfois être omise, l’impédance de sortie de la porte jouant alors le même role.
Supprimer cette résistance et relever les différences éventuelles par rapport au cas précédent.
4