Voltage Controlled Oscillator (vco)

UNIVERSITEHASSIBABENBOUALI DECHLEF
Faculté de Technologie
Département d’Electronique
MEMOIRE DE LICENCE
Domaine: SCIENCES ET TECHNOLOGIES
Filière : ELECTRONIQUE
Spécialité: ELECTRONIQUE
Etude et simulation d’un VCO
Par
DJAAFEURDJEBBAR Riyadh
ABERKANE Soulef Nour Elhouda
Encadreur:
M. Bouremli
Chlef, juin 2021

Remerciement
Tout d’abord, je tiens à remercier le bon Dieu le tout
Puissant de m’avoir donné la force et le courage de mener à
bien ce modeste travail, également je remercie infiniment mes
parents, qui mon encouragé et aidé à arriver à ce stade de ma
formation.
Je tiens à remercier tous ceux et celle qui ont contribué à
finaliser ce modeste travail. Mes remerciements vont à mon
encadreur M .BOUREMLI pour m’avoir guidé pour
la réalisation de ce projet.
Nos remerciements s’adressent également à tous nos
professeurs pour leurs générosités et la grande patience dont
ils ont su faire preuve malgré leurs charges académique et
professionnelles.
Nos profonds remerciements vont également à toutes les
personnes qui nous ont aidés et soutenue de prés ou de loin

Dédicace
Je dédie ce modeste travail à ceux qui m’ont
donné la vie, et à ceux qui m’ont élevé, à mes
parents, mon plus profond respect, ma sincère
considération et admiration. Je ne trouverai
jamais assez de mots pour exprimer mon amour
et ma gratitude. Puisse dieu vous garde en bon
santé et longue vie pour que je puisse à mon
tour vous combler. A mes chers frères et ma
petite soeur Amina . Et à mes deux meilleures
amies Yassamine et Marwa.
A BERKANE Soulef Nour Elhouda

Dédicace
Je dédie ce modeste travail à ma très chère maman en
signe d’amour, gratitude et gratitude pour tout le soutien
et sacrifice qu'elle a fait pour moi.
A mon cher papa que j'aime beaucoup et qui a toujours
m'a aidé dans ma vie.
A ceux que j'aime beaucoup, qui ont toujours m'a
soutenu et a toujours été à mes côtés MES FRERES,
mon binôme SOULEF, et sans oublier mes amis.
DJAAFEUR DEBBAR Riyadh

ملخص
من الاسم نفسھ من الواضح أنیتم التحكم في تردد التیار الفوري للمذبذب بواسطة جھد
مذبذب للرقابة
الدخل ‏.إنھ نوع من المذبذب الذي یمكن أن ینتج تردد إشارة خرج على مدى كبیر(‏ عدد قلیل من ھرتز المئات من جیجا-‏
الجھد DC
الجھد (VCO) ،
اعتمادا على مدخلات
المعطاة لھا.‏
Résumé
Oscillateur contrôlé en tension(VCO), d’après son nom, il est clair que la fréquence du
courant instantané de l'oscillateur est contrôlée par la tension d'entrée. C'est un type
d'oscillateur qui peut produire une fréquence de signal de sortie sur une large plage (quelques
hertz -centaines de gigahertz) en fonction de la tension continue qui lui est donnée.
Abstract
Voltage Controlled Oscillator (VCO), from the name itself, it is clear that the frequency of
the instantaneous current of the oscillator is controlled by the input voltage. It is a type of
oscillator that can produce an output signal frequency over a wide range (a few hertzhundreds
of gigahertz) depending on the DC voltage given to it.
ھرتز (

Table des matières
Liste des figures ................................................................................................................. II
Liste des abréviations ......................................................................................................... III
Introduction générale ..............................................................................................................1
CHAPITRE I: Généralités sur VCO
I.1.
I.2.
Définition ................................................................................................................... ….3
Les Types de l'oscillateur commandé en tension ........................................................ ….3
I.2.1. Oscillateurs harmonique ............................................................................................4
I.2.2. Oscillateurs de relaxation ...........................................................................................4
I.3.
I.4.
Principe de fonctionnement de VCO .......................................................................... ….5
Les Caractéristiques ................................................................................................... ….6
I.5. Contrôle de fréquence dans l'oscillateur commandé en tension .........................................6
I.6.
Application de VCO ................................................................................................... ….8
CHAPITRE II: Conception et simulation VCO
II.1. Introduction .............................................................................................................. …9
II.2.
II.3.
II.4.
II.4.1.
II.4.1.1.
II.4.2.
Schéma du montage .................................................................................................….10
description du montage ............................................................................................….11
Calcul des éléments du montage ..............................................................................….11
Etude du trigger (comparateur à hystérésis) ...........................................................….11
La représentation de Us en fonction deV ............................................................….12
Etude de l’intégrateur ............................................................................................….12
II.5. Résultats de la simulation ............................................................................................. 14
II.5.1. Caractéristique du signal ........................................................................................... 14
II.5.2. Mesure du gain .......................................................................................................... 15
Conclusion générale ............................................................................................................. 16
Bibliographie ........................................................................................................................ 18
I

Liste des figures
Figure I.1:Fonctionnement de VCO. ......................................................................................3
Figure I.2:schéma d'un oscillateur .........................................................................................3
Figure I.3:circuit de VCO ......................................................................................................5
Figure I.4:circuitinterned’unVCOLM566 ..............................................................................6
Figure I.5:la variation de la tension en fonction de fréquence ................................................7
Figure II.1 :logicielmicrocap12. ............................................................................................9
Figure II.2:circuit d’un VCO .................................................................................................9
Figure II.3:Circuit comparateur. ......................................................................................... 11
Figure II.4:Circuit d’un intégrateur...................................................................................... 12
Figure II.5:Signal de sortie .................................................................................................. 14
Figure II.6: Graphe F=f(V). ................................................................................................. 15
II

Liste des abréviations
VCO Voltage Controlled Oscillator
GPS Global Positioning system
MOSFET Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor
III

Introduction générale
Dans notre monde moderne la technologie devienne très importante, elle est
intégrée dans notre vie quotidienne, on peut voir l’intégration de la technologie dans
plusieurs utilisations comme l’utilisation industriel (la fabrication et les productions
de transport comme les avions les véhicules …etc.), aussi l’utilisation domestique
(micro-onde les fours …etc.). Et ensuite dans la communication et la
Télécommunication comme les récepteurs satellite, la radio, GPS, téléphone … dans
ces derniers on trouve des synthétiseurs. Ces synthétiseurs inclus des VCO dont le
quel on va faire notre travail de mémoire.
Dans notre travail de mémoire nous nous somme intéressé par L’oscillateur
commandé en tension VCO, ce mémoire est structuré en deux chapitres :
‣ Le premier Chapitre donne des généralisées sur les VCO comme définition, principe
de fonctionnement, caractéristique…
‣ Le deuxième chapitre est consacré sur la conception et la simulation d’un VCO.
1

CHAPITREI:
Généralité sur VCO

CHAPITREI: Généralités sur les VCO
I.1 Définition:
L’oscillateur commandé en tension ou VCO est un oscillateur électronique qui génère un signal
périodique dont la fréquence se stabilise en fonction de la tension d'entrée.
C'est un oscillateur dont la fréquence de sortie est directement liée à la tension à son entrée.
La fréquence d'oscillation varie de quelques Hertz à des centaines de GHz. En faisant varier la
tension continue d'entrée, la fréquence de sortie du signal produit est ajustée.
Par conséquent, un VCO peut être utilisé pour la modulation de fréquence (FM) ou la modulation de
phase (PM) en appliquant un signal de modulation à l'entrée de commande. Un
VCO fait également partie intégrante d'une boucle à verrouillage de phase. Les VCO sont utilisés
dans les synthétiseurs pour générer une forme d'onde dont la hauteur peut être ajustée par une tension
déterminée par un clavier musical ou une autre entrée.
Figure I.1:Fonctionnement de VCO.
I.2 Les Types de l'oscillateur commandé en tension :
Les VCO peuvent être classés en fonction de la forme d'onde de sortie:
R
3
R
C
Uo
R
+
-
-
+
R4
T
D
V
R
1
R
2
Us
Figure I.2: schéma d'un oscillateur
3

CHAPITREI: Généralités sur les VCO
I.2.1. Oscillateurs harmonique:
La forme d'onde de sortie produite par les oscillateurs harmoniques est sinusoïdale. Cela peut
souvent être appelé oscillateur commandé en tension linéaire. Les exemples sont des oscillateurs LC
et Crystal. Ici, la capacité de la diode est modifiée par la tension qui est aux bornes de la diode. Cela
modifie à son tour la capacité du circuit LC. Par conséquent, la fréquence de sortie changera. Les
avantages sont la stabilité de la fréquence par rapport à l'alimentation, le bruit et la température, la
précision du contrôle de la fréquence. Le principal inconvénient est que ce type d'oscillateurs ne peut
pas être implémenté sans effort sur des circuits intégrés monolithiques.
I.2.2Oscillateurs de relaxation:
La forme d'onde de sortie produite par les oscillateurs harmoniques est en dents de scie.
Cetypepeutdonnerunelargegammedefréquencesenutilisantunequantitéréduitedecomposants. Il
peut principalement être utilisé dans les circuits intégrés monolithiques. Les oscillateurs de
relaxation peuvent posséder les topologies suivantes
‣ VCO en anneau basés sur le retard
‣ VCO à condensateur mis à la terre
‣ VCO couplés à l'émetteur
Ici, dans les VCO en anneau basés sur le retard, les étages de gain sont attachés ensemble
sous la forme d'un anneau. Comme son nom l'indique, la fréquence est liée au retard dans
chaque étape. Les deuxième et troisième types de VCO fonctionnent presque de la même
manière. La période de temps prise à chaque étape est directement liée au temps de charge et
de décharge du condensateur.
I.3 Principe de fonctionnement de VCO:
Les circuits VCO peuvent être conçus au moyen de nombreux composants électroniques de contrôle
de tension tels que des diodes, des transistors, des amplificateurs opérationnels, etc. Ici, nous allons
discuter du fonctionnement d'un VCO utilisant des amplificateurs opérationnels. Le schéma de
circuit est illustré ci-dessous.
4

CHAPITREI: Généralités sur les VCO
Figure I.3:circuit de VCO
La forme d'onde de sortie de ce VCO sera une onde carrée. Comme nous le savons, la fréquence de
sortie est liée à la tension de commande. Dans ce circuit, le premier ampli opérationnel fonctionnera
comme un intégrateur. L'agencement diviseur de tension est mis en œuvre ici. Pour cette raison, la
moitié de la tension de commande qui est donnée en entrée est donnée à la borne positive de l'ampliop
1. Le même niveau de tension est maintenu à la borne négative. Cela permet de maintenir la chute
de tension à travers la résistance, R1 égale à la moitié de la tension de commande.
Lorsque le MOSFET est en état, le courant circulant à partir de la résistance R1 passe à travers le
MOSFET. Les R2 ont la moitié de la résistance, la même chute de tension et deux fois le courant que
celui de R1. Ainsi, le courant supplémentaire charge le condensateur C connecté. L'ampli-op 1 doit
fournir une tension de sortie progressivement croissante pour fournir ce courant.
Lorsque le MOSFET est hors tension, le courant circulant à partir de la résistance R1 passe travers le
condensateur et se décharge. La tension de la sortie obtenue à partir d’Out1 à ce moment diminuera.
En conséquence, une forme d'onde triangulaire est générée en tant que la sortieOut1.
L'ampli-op 2 fonctionnera comme un déclencheur de Schmitt. L'entrée de cet ampli-op est une onde
triangulaire qui est la sortie Out1. Si la tension d'entrée est supérieure au niveau de seuil, la sortie
Out2 sera VCC. Si la tension d'entrée est inférieure au niveau de seuil, Out2 sera nulle. Par
conséquent, la sortie Out2 sera une onde carrée.
5

CHAPITREI: Généralités sur les VCO
Un exemple de VCO est LM566 IC ou IC 566. Il s'agit en fait d'un circuit intégré à
8broches qui peut produire des doubles sorties - onde carrée et onde triangulaire. Le circuit
interne est représenté ci-dessous.
Figure I.4:circuitinterned’unVCOLM566
I.4 Les Caractéristiques :
Le VCO a de différentes caractéristiques qui sont :
‣ La fréquence de l’oscillateur est déterminée par la tension d’entrée appliquée.
‣ Les VCO ont un facteur Q inférieur à celui des oscillateurs à fréquence fixe
similaires et souffrent donc plus de gigue.
‣ Ils ont un faible bruit de phase. Ceci est dû au gain d'accord et au bruit présent
dans le signal de commande.
‣ Signal de sortie facile à contrôler à la fois en forme et en fréquence.
I.5 Contrôle de fréquence dans l'oscillateur commandé en tension:
De nombreuses formes de VCO sont généralement utilisées. Il peut être de type oscillateur RC ou
multi vibrateur ou de type oscillateur LC ou cristal. Pourtant; s'il est de type oscillateur RC, la
fréquence d'oscillation du signal de sortie sera inversement proportionnelle à la capacité comme:
1
f =
(2πRC) Équation I.1
Dans le cas de l'oscillateur LC, la fréquence d'oscillation du signal de sortie sera:
6

CHAPITREI: Généralités sur les VCO
1
f =
(2π√LC) Équation I.2
Ainsi, nous pouvons dire que lorsque la tension d'entrée ou la tension de commande
augmente, la capacité diminue. Par conséquent, la tension de commande et la fréquence des
oscillations sont directement proportionnelles. Autrement dit, lorsque l'un augmente, l'autre
augmente.
Figure I.5: la variation de la tension en fonction de fréquence
La figure ci-dessus représente le fonctionnement de base de l'oscillateur commandé en
tension. Ici, nous pouvons voir qu'à la tension de commande nominale représentée
par Vc (nom), l'oscillateur fonctionne à sa fréquence de fonctionnement libre ou normale,
fc (nom).Lorsque la tension de commande diminue par rapport à la tension nominale, la
fréquence diminue également et à mesure que la tension de commande nominale augmente,
la fréquence augmente également . Les diodes qui sont des diodes à capacité variable
(disponibles dans différentes gammes de capacités) sont implémentées pour obtenir cette
tension variable. Pour les oscillateurs basse fréquence, le taux de charge des condensateurs
est modifié à l'aide d'une source de courant contrôlée en tension pour obtenir la tension
variable.
I.6 Application de VCO:
‣ Générateur de fonctions.
‣ Boucle à verrouillage de phase.
‣ Générateur de sons.
‣ Modulation par déplacement de fréquence.
‣ Modulation de fréquence.
7

CHAPITREII:
Conception et simulation
d’un VCO

CHAPITRE II : Conception et simulation d’un VCO
II.1 Introduction:
Dans ce chapitre on a consacré sur la conception et la simulation de VCO, Pour la
simulation nous avons utilisé le logiciel MICROCAP12 la dernière version.
Ce dernier est un simulateur de circuit analogique/numérique compatible SPICE avec
un éditeur de schémas intégré qui fournit un environnement d'esquisse et de simulation
interactif pour les ingénieurs en électronique. Il a été développé par Spectrum Software
etestactuellementàlaversion12.
Figure II.1 :logicielmicrocap12.
II.2 Schéma et description du montage :
Figure II.2: circuit d’un VCO
9

CHAPITRE II : Conception et simulation d’un VCO
Circuit A2
Lors de la mise sous tension du circuit A2, le bruit inévitablement présent en entrée de l'AOP A2
détermine la valeur de la tension en sortie de l'AOP; cette dernière atteint la valeur de saturation, ±15
V si l'AOP est alimenté avec +15V et -15V. Lorsque la tension est de + 15 V, le transistor T est
commandé à l'état passant et c'est sa conduction qui influence le signe de la pente de l'évolution de v
en fonction du temps comme nous le voyons ci après.
Circuit A1
C'est un circuit intégrateur avec une pente positive ou négative suivant que T est passant ou bloqué.
Dans les 2 cas,
Ve
V
2
Ve
Ve
Quand le transistor est bloqué, iR
Ve
2R
2
4R
pente négative :
. iR iC
et la tension v a donc une
t
1 Ve
vt
iCdt t C
C
4RC
0
st
il vient :
2
R1
V
sat
R2
Ve
t
4RC
R
V
1 sat
tb
8RC R
2 V
e
b
Lorsque le transistor est saturé on a : V - = Ve/2 et
i
C
Ve
Ve
R .
2 2R
La tension v a alors une pente positive en fonction du temps :
t
1 Ve
v iCdt t C
C
2RC
il vient :
2
0
R1
V
sat
R2
Ve
t
2RC
R
V
1 sat
th
4RC R
2 V
e
h
st
On peut, à partir de ces deux expressions déterminer la période de fonctionnement :
R
V
1 sat
T tb
th
12RC
R
2 V
e
10

CHAPITRE II : Conception et simulation d’un VCO
Soit la fréquence de fonctionnement :
1 1 R2
1
f
V
T 12RC R V
1
sat
e
Tous ces paramètres sont des constantes, seule Ve peut évoluer, Ve commande la fréquence
d'oscillation.
f k V
avec
k
VCO
VCO
e
1 R2
1
12RC R V
1
sat
kVCO
est le gain du VCO
II.3 Schéma du montage simulé:
Figure II.3 : Schéma du VCO sous Micro-cap
11

CHAPITRE II : Conception et simulation d’un VCO
Les composants utilises sont donnes dans le tableau II.1
Composant Quantité Valeur Désignation SPICE
Amplificateur
Opérationnel
2 UA741M
Transistor NPN 1 2N2222
Condensateur 1 47n C1
Diode 1 1N4148
Résistances
2.2kΩ
4.7kΩ
27kΩ
47kΩ
R3,R4
R,R5
R1
R2
Tableau II.1:Liste des composants utilisés.
12

CHAPITRE II : Conception et simulation d’un VCO
II.4 Résultats de simulation
II.4.1 Caractéristique du signal:
Lorsque la tension VC est de + 15 V, le transistor T est commandé à l'état passant et c'est sa
conduction qui influence le signe de la pente de l'évolution de V en fonction du temps comme
nous le voyons.
Figure II.5:Signal de sortie.
13

CHAPITRE II : Conception et simulation d’un VCO
II.4.2 Détermination du gain du VCO :
Nous allons faire varier l’amplitude de tension Vx et en observant la fréquence de sortie
correspondantes a US .
La tension (V) La période (ms) La fréquence (HZ)
5 9.65 103.62
6 7.85 127.38
7 6.68 149.70
8 5.77 173.3
9 5.10 196.07
10 4.56 219.29
11 4.14 241.54
12 3.8 263.15
Tableau II.2
Cette courbe présente la variation de la fréquence du signal de sortie avec la tension
d’entrée (tension de commande).
Figure II.6: Graphe F=f(V).
Grace à ce graphique nous allons pouvoir en déduire la valeur de gain k qui est:
k= 263.15−103.62 =22.79
12−5
k≈23
14

Conclusion générale
Le VCO est un élément très important dans les systèmes de communication modernes. On
notera que le circuit VCO n'est rien d'autre qu'un modulateur de fréquence permettant de
remplacer un signal d'amplitude variable par un signal d'amplitude constante mais de
fréquence variable. L'information ne se trouve plus dans l'amplitude instantanée mais dans la
fréquence ; c'est le principe utilisé en radio FM pour transmettre les signaux en modulation de
fréquence.
Ce Projet nous a permit de découvrir tous les aspects de la conception d’une carte
électronique, nous permettant de mettre en application notre savoir acquis pendant la licence.
Du calcul théorique à la simulation, pour enfin passer à la réalisation, nous avons ou pendant
ce projet découvrir et utiliser de nouveau logiciel à fin de réaliser une carte, tous en apprenant
de nos erreur. Pour arriver un système électronique fonctionnel. Donc nous pouvons dire que
ce projet à nécessité l’ensemble de nos capacité acquise.
15

Bibliographie
[1] https://webgburnet.com/2018/04/25/vco-oscillateur-commande-en-tension/
[2] https://www.elprocus.com/voltage-controlled-oscillator-working-application/
[3] Freddy Mudry, « Electronique analogique : Des composants vers les systèmes », Haute
Ecole d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud Département Technologies Industrielles.
16