FR2513040A1 - Oscillateur a pont de wien a resistances synthetiques - Google Patents

Abstract

OSCILLATEUR A PONT DE WIEN COMPORTANT UN PREMIER ETAGE AMPLIFICATEUR A DESTINE A FOURNIR UN PREMIER DEPHASAGE DE 180 DU SIGNAL D'ENTREE ET UN SECOND ETAGE AMPLIFICATEUR A DESTINE A FOURNIR UN SECOND DEPHASAGE DE 180 DU SIGNAL DE SORTIE DU PREMIER ETAGE AMPLIFICATEUR, CARACTERISE EN CE QUE LE PREMIER ETAGE A UN GAIN VOISIN DE L'UNITE, TANDIS QUE LE SECOND ETAGE EST CONSTITUE PAR UN INVERSEUR AYANT UN GAIN LEGEREMENT SUPERIEUR A L'UNITE.

Description

La présente invention concerne les oscillateurs et se rapporte plus particulièrement bien que non exclusivement, aux oscillateurs à pont de Wien destinés à étre réalisés en technologie MOS complémentaire et dans lesquels les résistances sont synthétisées par commutation de condensateurs. La synthèse de résistances par commutation de condensateurs dite également par transfert de charges est connue depuis un certain temps pour la réalisation de filtres.

Des essais ont également été effectués avec succès pour la réalisation d'oscillateurs au type " phase shift ".Un tel oscillateur est décrit notamment dans la revue IEEE Journal Of Solid State Circuits, Juin 1979,
Volume SC-14 n0#,pages 622 à 624.

L'invention vise à utiliser la technique des résistances synthétiques pour réaliser un oscillateur du type à pont de Wien, dont la stabilité et le faible taux de distorsion sont bien connus.

Elle a donc pour objet un oscillateur à pont de Wien comportant un premier étage amplificateur destiné à fournir un premier déphasage de 1800 du signal d'entrée et un second étage amplificateur destiné à fournir un second déphasage de 1800 du signal de sortie du premier étage amplificateur, caractérisé en ce que le premier étage a un gain voisin de l'unité, tandis que le second étage est constitué par un inverseur ayant un gain légèrement supérieur à l'unité.

D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels
- la Fig.1 est un schéma d'un oscillateur à pont de Wien connu;
- la Fig.2 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un oscillateur à pont de Wien suivant l'invention;
- la Fig.3 est un schéma électrique d'une résistance synthétique dont l'un des noeuds reste flottant pendant l'une des alternances du signal d'horloge commandant la résistance;
- la Fig.4 est un schéma d'une résistance synthétique ne présentant pas l'inconvénient de la résistance de la Fig.3;
- la Fig.5 représente un exemple d'oscillateur à pont de Wien réalisé en technologie MOS;
- la Fig.6 représente le signal de sortie de l'oscillateur de la Fig.5;;
- la-Fig.7 represente le schéma d'une variante d'une résistance synthétique classique;
- la Fig.8 est un schéma d'une résistance synthétique particulierement adaptée pour être utilisée dans le circuit de la Fig.5 en présence de capacités parasites importantes;
- la Fig.9 est un schéma d'une résistance synthétique inverseuse;
- la Fig. 10 est un schéma correspondant à celui de la Fig.9 d'une résistance synthétiaue dont les noeuds ne sont laissés flottants aue pendant les temps de non recouvrement des phases d'horloge;
- la Fig.ll est un schéma d'un second mode de réalisation d'oscillateur à pont de Wien suivant l'in- vention; et
- la Fig.12 est un graphique représentant la tension de sortie de ltoscillateur de la Fig.11.

L'oscillateur à pont de Wien représenté à la Fig.1 a été décrit dans la revue " Electronic Design du 7 Avril 1972 ".

Il comporte un premier amplificateur A1 dont l'entrée non inverseuse est connectée à la masse et dont l'en- trée inverseuse est reliée à la sortie par l'intermédiaire d'une résistance RT et d'un condensateur CT montés en parallèle.

La sortie de l'amplificateur A1 est connectée à l'entrée inverseuse d'un second amplificateur A2 par l'intermédiaire d'une résistance RA L'entrée non inverseuse de l'amplificateur A2 est reliée à la masse et sa sortie est connectée à son entrée inverseuse par l'intermédiaire d'une résistance 2,5 RA en parallèle sur laquelle est montée une résistance 10 RA en série avec deux diodes D1, D2 montées tête-bêche.

La sortie de l'amplificateur A2 est connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur A1 par un condensateur CT et une résistance RT en série.

La sortie de l'oscillateur ainsi constitué est la sortie du premier amplificateur A1.

L'amplificateur A1 fournit le déphasage de 1800 à la fréquence déterminée par les éléments RT et CT avec un affaiblissement de 2. L'amplificateur A2 fournit à l'aide des résistances RA et 2,5RA un gain supérieur à 2 et un déphasage de 1800 permettant le démarrage des oscillations.Quand celles-ci ont atteint une certaine amplitude, les deux diodes D1, D2 conduisent alterfrative- ment et mettent la résistance lORA en parallèle sur 2,5
RA, réduisant le gain total à 2 et compensant alors intégralement l'affaiblissement du réseau R.C associé à l'amplificateur A1; les oscillations sont donc stables en amplitude et pratiquement exemptes de distorsion
Etant donné que la réalisation de diodes.flot- tantes est pratiquement impossible en technologie MOS, pour être compatible avec cette technologie, le schéma a été modifié de la façon représentée à la Fig.2.

Le montage représenté sur cette figure est semblable à celui de la Fig.1.

Ici encore il comporte un premier et un second amplificateurs A1, A2. Mais la sortie du premier amplificateur A1 est connectée à son entrée inverseuse par une résistance 2 RT en parallèle avec un condensateur CT.

La sortie du second amplificateur A2 est connectée à son entrée inverseusepar deux résistances 0,1 RA et 0,95 RA montées en série tandis que les trajets sourcedrain de deux transistors MOS de même nature M1 et M2 sont respectivement connectés aux bornes de la résistance O,lRA.

La grille du transistor M1 est connectée à la sortie de l'amplificateur A1, tandis que la grille du transistor M2 est reliée à la sortie de l'amplificateur A2. Celle-ci est connectée à l'entrée inverseusede l'amplificateur A par une résistance RT et un condensateur 2 CT en série.

L'amplificateur A1 fournit toujours le déphasage de 1800 à la fréquence déterminée par les éléments
RT et CT mais étant donné les rapports respectifs de la branche série (RT, 2CT) et de la branche parallèle (2RT,
CT), on obtient un gain de 1 entre l'entrée et la sortie.

L'amplificateur A2 est un inverseur avec un gain légèrement supérieur à l'unité : (0,95+0,1) RA/RA qui permet le démarrage des oscillations.

Il faut noter qu'en régime stabilisé, les tensions de sortie des deux amplificateurs sont égales en amplitude mais de phases opposées.

Quand la tension de sortie de l'un des amplificateurs atteint la-tension de seuil du transistor MOS
M1 placé en parallèle sur 0,1 RA, celui-ci se met à conduire et quand sa résistance devient égale à 0,1 RA, le gain de l'amplificateur A2 est ramené exactement à l'uni- té arrêtant la croissance de l'amplitude des oscillations, celle-ci repartant en sens inverse. A l'alternance suivante, c'est l'autre transistor MOS M2 qui agit de la même façon. On voit que ces deux transistors doivent être de même polarité, quelle que soit celle-ci. Ceci a l'avantage de permettre à ce circuit d'être réalisé en technologie à canal P ou à canal N, aussi bien que complémentaire.

Les résistances entrant dans la construction de l'oscillateur de la Fig.2 sont des résistances synthétiques.

Une résistance synthétique classique est représentée à la Fig.3. Elle comprend un condensateur C connecté à deux tensions differentes V1 et V2 par l'intermédiaire d'interrupteurs S1, 82 commandes tour à tour par un signal d'horloge.

Quant la phase ~ est active, l'interrupteur S1 est fermé et l'interrupteur S2 est ouvert, le condensateur C se charge à la tension V1. Quant la phase ~ est active, le condensateur se décharge transmettant dans V2 une charge Q = C (V2-V1); il va donc en résulter un courant

la quantité (V2-V1)/I correspond à une résistance R = 1/CF. Un tel montage fonctionne parfaitement mais a l'inconvénient de laisser l'un des noeuds (V1 ou V2) flottant pendant l'une des alternances du signal d'horloge.Cela n'a pas d'importance quand la résistance est connectée à l'entrée d'un intégrateur comme c'est habituellement le cas dans les filtres ou les oscillateurs du type " Phase Shift "mais est inacceptable pour un amplificateur connecté à un réseau de résistances; entrée se trouvant alors "en l'air ", la tension de sortie part vers l'une des butées et cela d'autant plus vite que la vitesse de variation de tension est plus importante.

La résistance représentée à la Fig.4 permet de pallier cet inconvénient.

Cette résistance est en fait constituée de deux condensateurs C identiques montés en parallèle.

2 C
Le premier des condensateurs C2 est connecté
2 à la tension V1 par un interrupteur S1 couplé à un interrupteur 83 qui assure la connexion du second conden sateur C à la tension V2. Un interrupteur S assurant 2 C 2 la connexion du premier condensateur 2 à latension V2 est couplé à un interrupteur S reliant le second con densateur à å la tension V .4 2 1
Les interrupteurs S1, S3, S2, S4, sont comman dés en opposition de phase de telle façon que, sauf pendant le temps de non recouvrement des phases d'horloge, aucun des noeuds d'entrée ou de sortie de l'ensemble ne reste flottant.

Un schéma adéquat, qui n'est pas décrit ici, peut permettre de réduire le temps de non recouvrement des phases d'horloge au minimum.

Dans un oscillateur du type pont de Wien, la fréquence d'oscillation est donnée par F = 1/2 RTCT; or RT = l/c f où c est la capacité de synthèse et f la fréquence de commutation donc F =CT ; la fréquence est
CT donc indépendante de la valeur des condensateurs mais dépend uniquement de leur rapport ainsi que de la fréquence de commutation, fréquence qui peut être obtenue à partir d'un quartz ou d'un résonateur céramique.

On a représenté à la Fig.5, un exemple d'oscillateur à pont de Wien réalisé d'après le schéma de la
Fig.2 et dans lequel les résistances sont réalisés sous forme synthétique d'après le schéma de la Fig.4.

Sur le schéma de la Fig.5, on retrouve les composants du circuit de la Fig.2 qui sont désignés par les mêmes références.

On a de plus porté à titre d'exemple les valeurs numériques des divers composants du circuit.

Le schéma d'une réalisation possible de l'oscillateur est représenté sur la Fig.5. Les amplificateurs
A1 et A2 sont chacun constitués par une moitié de circuit
MC 1558, les interrupteurs. sont des circuits TF 4016, les transistors de limitation M1, M2 sont constitués par une paire différentielle à canal P. Tous les condensateurs sont au mica, triés à 1% entre eux. Le signal de sortie de l'oscillateur de la Fig.5 est représenté Fig.6; on peut constater le taux de distorsion extrêmement faible de ce signal.

Les résistances synthétiques, telles que dé crites ci-dessus ont l'inconvénient d'être sensibles aux capacités parasites présentes sur les différents noeuds; si le rapport entre la capacité commutée et la capacité parasite est grand , l'influence de cette dernière peut être considéré comme négligeable. Si non, il vaut mieux utiliser le schéma de la Fig.8, dérivé de celui de la
Fig.7 qui est classique, de la même façon que celui de la Fig.4 a été dérivé de celui de la Fig.3.

La résistance synthétique de la Fig.7 diffère de celle de la Fig.3 en ce qu'elle comporte un condensateur C1 dont les bornes sont respectivement connectées aux tensions V1 et V2 par l'intermédiaire d'interrupteurs S5, S6 commandés par une phase ~ du signal d'horloge. Les bornes du condensateur C1 sont en outre reliées à la masse par des interrupteurs S7, S8 commandés par la phase 0 du signal d'horloge.

Les interrupteurs S5 à S8 sont commandés de telle façon que lorsque les interrupteurs S5 et S5 sont fermés, les interrupteurs S , S sont ouverts et inverse
7 8 ment.

La résistance représentée à la Fig.8 résulte de la mise en parallèle de deux condensateurs identiques de valeur Cl
2
Les circuits de commande des deux condensateurs sont identiques à celui de la Fig.? mais commandés en opposition de phase par les signaux d'horloge.

Les bornes du premier condensateurs Cl sont
2 respectivement connectées aux tensions V1 et V2 par l'intermédiaire d'interrupteurs Sg, S et à la masse par C1 des interrupteurs S11, S12. Le second condensateur 2 est connecté de la même façon aux tensions V1, V2 et à la masse par quatre interrupteurs S13 à S16.

La commande en opposition de phase des deux condensateurs permet comme précédemment de supprimer tout noeud flottant.

L'oscillateur à pont de Wien qui vient d'être décrit en référence aux Fig.2 à 6, comporte un premier amplificateur A1 qui, compte tenu du dimensionnement des valeurs relatives des composants se trouvant dans la branche série et dans la branche parallèle présente un gain égal ou même supérieur à l'unité et un second amplificateur inverseur A2 dont le gain est lui aussi voisin de l'unité.

La Demanderesse a donc pensé à substituer à ce second amplificateur une résistance synthétique inverseuse.

Le schéma de principe d'une telle résistance est représenté à la-Fig.9.

Cette résistance est constituée par un condensateur C2 dont une première borne est connectée à une tension V1 par un interrupteur S17 et à la masse par un interrupteur S18 commandés chacun par les deux alternances d'un signal d'horloge tandis que la seconde borne du condensateur est connectée à la masse par un interrupteur S19 couplé à l'interrupteur S17 et à une tension V2 par un interrupteur S20 couplé à l'interrupteur S18.

Afin d'éviter que la résistance inverseuse présente des noeuds flottants pendant les phases d'ouverture des interrupteurs associés à ses bornes, elle est réalisée selon le montage de la Fig. 10 qui consiste en une mise en parallèle de deux condensateurs 2 commandés en opposition de phase l'un par rapport à l'autre. Les interrup C2 teurs S21 à S24 associés au premier condensateur 2 et les
C2 interrupteurs S25 à S28 associés au second condensateur 2
2 sont connectés de la même façon que les interrupteurs S17 à a S20 du montage de la Fig.9 Ce montage a, en outre, l'avantage de doubler la fréquence apparente de l'horloge ce qui réduit le taux d'harmoniques de commutation.

Un oscillateur suivant le second mode de réalisation de l'invention est représenté à la Fig. 11.

Il comporte principalement un premier inverseur I1, une résistance synthétique non inverseuse R1 connectée aux bornes d'entrée et de sortie de l'inverseur I1, un condensateur C3 connecté en parallèle sur cette résistance.

La résistance synthétique R1 est semblable à celle de la Fig.8. Elle comporte deux condensateurs de même valeur C5 à chacun desquels sont respectivement associés des interrupteurs Sg à S16 auxquels on a intentionnement donné les mêmes références qu'à ceux de la Fig.8.

La résistance R1 constitue avec le condensateur C4 la branche parallèle du montage qui comporte en outre une branche série formée d'une résistance inverseuse R2 et d'un condensateur C6.

La résistance inverseuse R2 est analogue à la résistance synthétique inverseuse représentée à la Fig. 10.

Elle comprend deux condensateurs C7 de même valeur, montés en parallèle à chacun desquels sont respectivement associés des interrupteurs S21 à 828 de la façon décrite en référence a la Fig.10.

L'inverseur I1 est réalisé en technologie MOS complémentaire. Il est constitué par exemple par un tiers d'un circuit TF 4007.

Les divers interrupteurs des résistances synthétiques sont constitués par des circuits MOS du type
TF 4016. Le circuit comporte enfin un second inverseur I2 d'établissement d'une tension de référence nécessaire au fonctionnement des résistances synthétiques.

Cet inverseur 12 connecté à une borne commune des résistances synthétiques R1 et R2 est réalisé à l'aide d'un tiers de circuit TF 4007.

Cet inverseur est rebouclé sur lui-même et un condensateur C est connecté entre sa sortie et la masse.

x
Le démarrage des oscillations est assuré par un gain légèrement supérieur à l'unité > obtenu par un choix judicieux du rapport des ensembles C4, C5, C61 C7; la li mitation automatique de l'amplitude des oscillations est obtenue grâce à la non linéarité du gain de l'inverseur Iîi gain qui décrit progressivement de part et d'autre de la position d'équilibre.

L'inverseur fl qui est ici réalisé en technologie MOS complémentaire fonctionne comme un amplificateur opérationnel dont l'entrée non inverseuse est virez tuelle. Son potentiel est égal au seuil de basculement de l'inverseur. Pour cette raison, une tension de référence, nécessaire au fonctionnement des résistances synthétiques et dont le potentiel doit être égal à celui de ladite entrée non inverseuse, est obtenue en bouclant sur lui-même l'autre inverseur 12 ayant la même tension de seuil que celui faisant office d'amplificateur. Dans le cas présent, le découplage permettant d'absorber les courants de commutation est obtenu à l'aide du condensateur Cx; il pourrait être obtenu par tout autre moyen.

Le signal de sortie d'un tel oscillateur est représenté sur la Fig.12.Ce signal se distingue, lui aussi par un faible taux de distorsion.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Oscillateur à pont de Wien comportant un premier étage amplificateur (A1) destiné à fournir un premier déphasage de 180C du signal d'entrée et un second étage amplificateur (A2) destiné à fournir un second déphasage de 1809 du signal de sortie du premier étage amplificateur, caractérisé en ce que le premier étage a un gain voisin de l'unité, tandis que le second étage est constitué par un inverseur ayant un gain légèrement supérieur à l'unité.

2. Oscillateur suivant la revendication 1, comprenant en outre un dispositif de stabilisation d'amplitude, caractérisé en ce que le dispositif de stabilisation d'amplitude consiste en deux transistors MOS (M1,M2) de réduction du gain dudit second amplificateur quand l'amplitude du signal de sortie de l'oscillateur dépasse un seuil prédéterminé.

3. Oscillateur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les transistors MOS ( M1,M2) de contrôle automatique d'amplitude sont de même polarité.

4. Oscillateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les gains des premier et second amplificateurs sont établis par des résistances et des condensateurs, caractérisé en ce que les résistances (RT, 2RT, RA, 0,1 RA, 0,95 RA) sont synthétisées à partir de condensateurs associés à des commutateurs.

5. Oscillateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier amplificateur est constitué par un inverseur < I1) auquel est associé un circuit parallèle formé par une résistance synthétique non inverseuse (R1) et par un condensateur (C4) connecté en parallèle sur celle-ci et un circuit série formé par une résistance synthétique inverseuse (R2) et par un condensateur (C6) connecté en série, ladite résistance inverseuse (R2) assurant la fonction dudit second amplificateur inverseur de phase dont le gain est voisin de l'unité.

6. Oscillateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un inverseur supplémentaire (I2) d'établissement d'une tension de référence égale au potentiel de l'entrée non inverseuse virtuelle de l'inverseur (ici) constituant le premier amplificateur nécessaire au fonctionnement des résistances synthétiques, ledit inverseur supplémentaire étant identique à l'inverseur (I1) faisant office dudit premier amplificateur et étant rebouclé sur lui-même.

7. Oscillateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les résistances synthétiques sont constituées par la mise en paral lèle de deux condensateurs (2 ; C1; C2 de même valeur

2 2 2 associés à des interrupteurs (S1 à S4 ; S9 à S16 ; S21 à

S28 ), commandés en opposition de phase de façon à ne pas avoir de noeud flottant.