Un oscillateur est un circuit électronique capable de produire automatiquement un signal périodique, c'est-à-dire un signal qui se répète régulièrement au cours du temps. Contrairement à un amplificateur, qui se contente d'augmenter un signal existant, un oscillateur crée lui-même un signal sans qu'il soit nécessaire de lui appliquer une entrée périodique.

Les oscillateurs sont présents dans la plupart des appareils électroniques. Ils fournissent les signaux nécessaires aux horloges numériques, aux microprocesseurs, aux systèmes de communication, aux instruments de mesure, aux radios, aux téléviseurs, aux ordinateurs, aux smartphones et à de nombreux autres équipements.

Le principe de fonctionnement

Pour produire une oscillation continue, un oscillateur utilise généralement un amplificateur associé à un circuit de rétroaction positive.

Une partie du signal de sortie est renvoyée vers l'entrée de l'amplificateur. Si cette rétroaction est correctement réglée, le signal s'entretient de lui-même et devient périodique.

L'énergie nécessaire au fonctionnement est fournie par l'alimentation électrique, tandis que le circuit de rétroaction détermine la fréquence des oscillations.

Les caractéristiques d'un oscillateur

Chaque oscillateur est défini par plusieurs caractéristiques importantes.

La fréquence indique le nombre d'oscillations produites chaque seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).

L'amplitude correspond à la valeur maximale du signal produit.

La forme du signal peut être sinusoïdale, carrée, triangulaire, en dents de scie ou prendre d'autres formes selon le montage utilisé.

La stabilité représente la capacité de l'oscillateur à conserver une fréquence constante malgré les variations de température, d'alimentation ou le vieillissement des composants.

Les oscillateurs RC

Les oscillateurs RC utilisent des résistances et des condensateurs pour fixer leur fréquence.

Ils sont simples à réaliser et permettent de produire des fréquences allant de quelques fractions de hertz à plusieurs centaines de kilohertz.

Ils sont utilisés dans les générateurs de signaux, les clignotants électroniques, les alarmes, les temporisateurs ou certains instruments de mesure.

Le célèbre circuit intégré NE555 peut fonctionner comme un oscillateur RC en mode astable.

Les oscillateurs LC

Les oscillateurs LC utilisent une bobine (inductance) et un condensateur.

L'énergie passe alternativement du champ magnétique de la bobine au champ électrique du condensateur. Cet échange permanent produit des oscillations très régulières.

Les oscillateurs LC fonctionnent principalement aux hautes fréquences et sont utilisés dans les émetteurs radio, les récepteurs, les télécommunications et de nombreux appareils électroniques.

Les oscillateurs à quartz

Les oscillateurs à quartz sont les plus précis et les plus répandus.

Ils utilisent un petit cristal de quartz taillé avec une grande précision.

Lorsque le quartz est soumis à une tension électrique, il se déforme très légèrement. Inversement, lorsqu'il est déformé mécaniquement, il produit une tension électrique. Cette propriété est appelée effet piézoélectrique.

Le quartz possède une fréquence naturelle de résonance extrêmement stable. Il agit comme un diapason microscopique capable de vibrer des millions de fois par seconde avec une très grande précision.

Les montres à quartz utilisent par exemple un cristal vibrant à 32 768 Hz. Cette fréquence est ensuite divisée électroniquement pour produire une impulsion par seconde.

Les microprocesseurs, les ordinateurs, les téléphones, les GPS et les équipements de télécommunication utilisent également des oscillateurs à quartz afin de synchroniser leurs opérations.

Les oscillateurs commandés en tension

Les oscillateurs commandés en tension, appelés VCO (Voltage Controlled Oscillator), voient leur fréquence varier en fonction d'une tension électrique appliquée à leur entrée.

Plus la tension de commande augmente ou diminue, plus la fréquence de sortie change.

Les VCO sont utilisés dans les synthétiseurs électroniques, les modulations de fréquence, les systèmes de télécommunication, les générateurs de fonctions et de nombreux appareils de mesure.

Les oscillateurs à relaxation

Les oscillateurs à relaxation reposent sur la charge et la décharge répétées d'un condensateur.

Lorsque la tension atteint un certain seuil, le condensateur se décharge rapidement puis recommence un nouveau cycle.

Ce principe permet de produire facilement des signaux carrés, triangulaires ou en dents de scie.

Le NE555 est également l'un des oscillateurs à relaxation les plus utilisés.

Les générateurs d'horloge

Dans les circuits numériques, les oscillateurs jouent le rôle de générateurs d'horloge.

Chaque impulsion d'horloge synchronise les opérations des compteurs, registres, mémoires, microcontrôleurs ou microprocesseurs.

Par exemple, un microprocesseur cadencé à 100 MHz reçoit cent millions d'impulsions d'horloge chaque seconde. Chacune de ces impulsions rythme l'exécution des différentes opérations internes.

Les générateurs de signaux

Les oscillateurs sont également utilisés pour produire des signaux destinés aux essais et aux mesures.

Les générateurs de fonctions permettent de sélectionner différentes formes d'onde, comme des signaux sinusoïdaux, carrés, triangulaires ou en dents de scie, avec une fréquence et une amplitude réglables.

Ces appareils sont indispensables pour tester les circuits électroniques ou vérifier le fonctionnement de différents montages.

Les principaux circuits intégrés

Le NE555 reste l'un des oscillateurs intégrés les plus célèbres pour les basses fréquences et les montages pédagogiques.

Le ICL8038 et le XR2206 sont des générateurs de fonctions capables de produire plusieurs formes de signaux analogiques.

De nombreux oscillateurs modernes sont directement intégrés dans les microcontrôleurs, les processeurs, les modules radio ou les circuits de télécommunication. Ils utilisent des quartz externes, des résonateurs céramiques ou des oscillateurs intégrés à haute stabilité selon les besoins de l'application.