William Hewlett et David Packard ont commercialisé le premier oscillateur, le HP200, fabriqué dans le garage de Packard en Californie (cela ne vous rapelle rien? C'est aussi ainsi qu'a démarré Apple). C'était le premier appareil de la marque Hewlett Packard. Pour faire plus sérieux et montrer qu'ils avaient déja de nombreux appareils, ils ont commencé leur numéroration à partir de 200. A l'époque c'était le haut de gamme de l'électronique.

Un oscillateur doit avoir le signal qui se mord la queue pour pouvoir fonctionner: le signal est amplifié et retourne à l'entrée où il est à nouveau amplifié, et ceci jusqu'à ce que l'amplificateur atteint les limites de fonctionnement (tension et/ou courant maximal).

A ce moment la distortion est maximale, et ce n'est pas ce que nous voulons. Comment stabiliser l'amplitude est décrit plus loin. Il est possible de transformer le générateur sinusoïdal en générateur en créneau en éliminant la limitation de l'amplitude des oscillations. Mais d'abord il nous faut un élément qui va déterminer la fréquence.

A une fréquence donnée, le "gain" du circuit est maximal.

La fréquence atteinte est approximative et ne tient pas compte des impédances parasites. Les condensateurs ont généralement une tolérance de 20% et les résistances une tolérance de 5%.

Si nous avons maintenant un amplificateur qui amplifie 3× nous pouvons entretenir les oscillations. Si le gain est plus faible, les oscillations sont amorties et disparaissent, si le gain est plus élevé, l'amplidude des oscillations augmente jusqu'au clipping. Il faut un gain minimal supérieur à 3 pour que l'oscillateur puisse se mettre en route.

Oscillateur à lampes Hewlett Packard

La contre-réaction négative (qui va limiter l'amplitude du signal) est la partie violette qui se compose d'un pont diviseur avec deux résistances. La première résistance est normale, elle se compose d'une résistance fixe et d'une résistance ajustable qui permet de doser la contre réaction et donc d'entretenir les oscillations sans écrètage. L'oscillateur produit le meilleur signal quand les oscillations ont une amplitude de 18 à 20V rms (donc environ 50 à 55Vpp).

Les lampes à filament ont été utilisées dans d'autres applications où il faut stabiliser un courant. Si un effet important est nécessaire, on utilise un fil de fer dans une atmosphère d'hydrogène, mais dans les applications courantes on se contente d'une ampoule à incandescence normale (fil en tungstène).

Le signal ainsi obtenu va vers un amplificateur classique qui se compose d'une triode préamplificatrice et d'une pentode de puissance, un tube 6V6 bien connu. La sortie se fait via un transformateur qui permet une sortie symmétrique si nécessaire. C'est un amplificateur pour fréquences audio.

Pour avoir une stabilisation la plus optimale possible, il faut que la lampe fonctionne à 10% de sa tension nominale. C'est à cette tension que la variation de résistance est la plus importante. La lampe est égalemnt parcourue par le courant cathodique du tube, ce qui permet en plus une stabilisation du point de fonctionnement de la pentode.

Le système de stabilisation avec lampe incandescente a été utilisé dans tous les oscillateurs à pont de Wien jusque dans les années 1970. Il a comme inconvénient qu'il ne permet pas des oscillations basse fréquence, car l'inertie thermique du filament n'est pas assez importante: la résistance de la lampe varie avec l'oscillation, ce qui est défavorable, cela produit un sinus qui est applati d'un coté et étiré de l'autre. Ce sont des distortions harmoniques paires ou impaires selon que la lampe a une composante continue ou non. Une page où on vous parle d'harmoniques paires et impaires (et de distortion d'intermodulation).

Tous les systèmes de stabilisation ultérieurs qui utilisent des diodes zener, des thermistances ou des varistors ont un tel inconvénient. Le seul système qui fonctionne bien, c'est un système ou le signal de sortie est redressé et filtré et commande un transistor mosfet dont la résistance varie avec la tension appliquée sur le gate (voir plus bas pour un schéma de principe).

Schéma moderne avec a-op et lampe

Mais nous avons un amplificateur qui peut nous aider: il s'agit d'un LM386, un petit amplificateur audio qui peut fournir une puissance de quelques centaines de mW, suffisant pour alimenter la lampe incandescente (on n'a rien trouvé de mieux qu'une telle ampoule...). Il ne s'agit pas d'un A-op classique, mais d'un circuit adapté comme petit amplificateur audio qui fonctionne avec les deux entrées à 0V.

L'ampoule à utiliser est une ampoule de 6V, 50mA, ce sont les (anciennes) ampoules de lampe de vélo (lampe rouge arrière). Il faut parfois adapter la valeur de la résistance de contre réaction (390Ω) pour avoir un signal sinusoïdal de environ 1V rms (2.4Vpp), c'est à ce moment que le signal en sortie a le moins de déformations. Augmenter la résistance si l'amplitude est trop faible, la réduire si l'amplitude est trop élevée.

La résistance de 10Ω et le condensateur de 50nF (partie rouge) peuvent être nécessaires si l'ampli sert à commander un haut parleur. Ce circuit compense le déphasage causé par l'inductance du haut parleur. Mais commander directement un haut parleur n'est pas recommandé car cela augmente les distortions du circuit. Le haut parleur lui-même produit des distortions harmoniques plus importantes que le LM386. Si le circuit est conçu pour fournir un signal de test, il ne faut pas connecter un haut parleur qui est une basse impédance qui cause plus de distorsions. L'impédance (résistance de charge) peut avoir une valeur de 50Ω ou plus et la tension d'alimentation est de 9V.

La partie bleue peut être ajoutée si l'ampli a du mal à démarrer automatiquement, ce condensateur n'est normalement pas nécessaire: il vaut mieux jouer avec la valeur de la résistance de feed back. Cet ampli a un gain de 20dB (10×, donc amplement suffisant en théorie), alors qu'un a-op classique a un gain de 80 - 100dB.

Et évidemment ne pas jouer au plus malin et remplacer l'ampoule de 6V 50mA par une lampe led: les diodes ont une résistance qui diminue quand la tension augmente (c'est l'inverse de ce qu'on recherche). Un circuit est possible avec une lampe led (composée de deux lampes montées tête bëche) à mettre à la place de la résistance de 390Ω, et la même résistance doit maintenant être placée à la place de l'ampoule. Ce circuit fonctionne bien mais produit plus d'harmoniques impaires qu'un circuit avec lampe à incandescence.

J-FET comme résistance variable

Il est possible d'utiliser tous les types de transistors à effet de champ junction-fet. Si vous utilisez un MOSFET, il sera probablement à enhancement (non conducteur à tension de gate nulle). Le schéma nécessite alors une refonte pour avoir une tension positive sur le gate, qui se réduit quand le circuit oscille.

L'ampli utilisé est un LM324, un a-op quadruple, mais vous pouvez utiliser tout type d'a-op. La sortie ici est à impédance relativement élevée.

Le circuit contient en plus une amélioration qui va réduire les distortions de l'ampli opérationnel, notament un filtre passe bas. La résistance doir avoir une valeur de 2× la résistance de détermination de la fréquence (donc 47kΩ) et le condensateur une valeur de 5× la valeur de C2 et C3. Le filtre passe-bas réduit fortement les harmoniques (et donc les déformations). L'amplitude du signal est légèrement moindre et l'impédance est plus élevée et nécessite un ampli de sortie. Avec ce filtre supplémentaire, on obtient un signal avec une distortion de moins de 0.1%, même avec des composants génériques.

De toute façon, pour avoir un fonctionnement stable (fréquence et amplitude) il faut séparer la fonction d'oscillateur et d'amplificateur. Ainsi la charge n'influence pas sur le fonctionnement.

Un tel oscillateur est normalement utilisé pour mesurer la puissance d'un amplificateur. Quand la puissance maximale de l'ampli est atteinte, le taux de distortion augmente brusquement. Mais pour être fiable, il faut que la source ait une distortion très faible.

Il est possible de varier la fréquence dans un facteur de 1 à 10 en modifiant simultanément la valeur des deux résistance de controle de fréquence (utilisez un potentiomètre de volume stéréo de bonne qualité). Cette modification ne permet plus l'utilisation du filtre en sortie.

Remarquez sur le schéma ci-dessus la résistance de 4.7k vers le positif. Cette résistance force l'a-op à travailler en classe A. Sans résistance de charge vers le positif (ou le négatif), il y a une légère distortion quand le transistor dans la branche positive passe le flambeau au transistor dans la branche négative et inversément (crossover).

Les transistors de sortie n'ont en effet pas de bias, les deux bases sont reliées ensemble (ligne rouge). Avec la résistance en sortie connectée au positif, on force le transistor Q11 à être constamment en conduction.

Q9 est le transistor de commande, Q15 est une source de courant, Q14 est un amplificateur (la source de courant produit un courant très faible), Q12 est une protection qui réduit la commande des transistors de sortie en cas de cours circuit et Q11/Q13 sont les transistors de sortie.

Commande par led et cellule CdS

Le signal à droite est prélevé à la sortie d'un oscillateur à pont de Wien dont la stabilisation de l'amplitude se fait avec uniquement deux diodes. Il y a une réduction brusque du gain de l'ampli dès que les diodes entrent en conduction (il n'y a pas de résistance de 39kΩ dans le schéma ci dessous). Ce n'est pas la meilleure façon de construire l'oscillateur, mais le but est ici autre.

Le but est ici de voir la distorsion maximale de l'oscillateur, pour la réduire par une série de filtres passe-bas. J'utilise un LM124, un a-op quadruple: le premier est l'oscillateur, tandis que les circuits suivants sont tous des filtres passe-bas. On voit très bien le résultat:

• en jaune le signal à la sortie de l'oscillateur,
• en cyan le signal à la sortie du premier filtre passe-bas et
• en magenta le signal à la sortie du second filtre passe-bas.

Le signal ressemble déjà fort à une sinusoïdale après deux filtres. Quand on commence avec un signal très déformé, on peut faire une analyse des harmoniques pour déterminer la distorsion. Chaque filtre produit une réduction d'environ 50% des distorsions.

Il est possible de faire fonctionner l'oscillateur avec un amortissement moindre des diodes, le signal est alors plus sinusoïdal à la source, et les filtres passe-bas ne feront qu'améliorer le signal.

La partie avec les diodes et la résistance de 39kΩ produit un amortissement variable. Sans diodes l'amortissement (fixe) de l'oscillateur est juste trop faible et le circuit ne se met pas à osciller. Si on prend une valeur de résistance plus élevée (par exemple 43kΩ) l'amplification est trop forte et l'oscillation augmente jusqu'à arriver à un signal carré.

Avec la résistance de 39kΩ et les diodes, l'amplification est plus élevée quand le signal est faible (les diodes ne sont pas en conduction) et elle diminue quand l'amplitude du signal augmente, permettant une bonne stabilisation de l'amplitude.

Avec un amplificateur linéaire, l'oscillateur à pont de Wien produit un signal sinusoïdal bien propre.

Sur le schéma la partie en bleu est l'oscillateur, tandis que la partie en magenta est le filtre passe-bas. Cette partie du circuit peut être répétée trois fois puisqu'un LM124 a 4 amplis.

On voit ici successivement le signal en sortie de l'oscillateur et après le premier et second filtre. L'oscillateur produit un petit saut de tension (environ 1V), mais ce saut est déjà complètement absorbé par le premier filtre car une fonction de saut contient principalement des harmoniques d'ordre élevé.

Le petit circuit où j'utilise 3 des 4 amplis. J'avais beaucoup de petits condensateurs de 22nF...

La fréquence calculée est de 329Hz, en pratique elle est un peu plus basse à cause des capacités parasites (326.6Hz). La fréquence a été portée à 400Hz en mettant une résistance en parallèle de 100kΩ en parallèle sur chacune des deux résistances qui déterminent la fréquence. Le but est de fabriquer une alimentation 115V 400Hz. Le signal est envoyé à un amplificateur de sonorisation 100V. Si la charge n'est pas trop élevée (dans mon application elle n'est que de quelques watts) l'ampli peut aisément fournir une tension de 115V bien sinusoïdale.