Brevet FR2019015A1 — publié le 19700626

La présente invention se rapporte à un circuit ayant une fréquence Qe résonance naturelle variable d'une façon-continue, laquelle fréquence de résonance peut être aisément réglée afin de sélectioner des composantes de fréquence provenant d'une source de signal et pour appliquer ces composantes à une charge. Les composantes du circuit sont connectées dans un montage en T comportant deux branches en série et une branche shunt entre les deux premières. La forme fondamentale d'un oscillateur à réaction est un amplificateur dont la sortie est connectée à son entrée par l'in- termédiaire d'un réseau de rétroaction. Le réseau de rétroaction est habituellement un réseau sélectif à la fréquence, et l'oscil- lation naturelle de la boucle de rétroaction a-pour effet de produire une sortie variable dont la fréquence est liée à la fréquence naturelle du réseau de rétroaction. Pour des oscillateurs à haute fréquence, le réseau sélectif à la fréquence est habituellement constitué par un circuit résonant série ou parallèle. La fréquence d'oscillation est la fréquence pour laquelle la variation globale de phase le long de la boucle est nulle. Lorsqu'on désire dévier la fréquence d'oscillation afin d'obtenir une modulation de fréquence, les composants du circuit résonnant-- peuvent être modifiés et comme ces organes sont habituellement constitués par des bobines d'induction et des condensateurs, leurs valeurs doivent être modifiées. Lorsque l'on désire que la déviation de la fréquence d'oscillation soit proportionnelle à un signal continu, comme c'est le cas dans un dispositif de déviation à modulation de fréquence, la valeur du condensateur et/ou de la bobine d'induction doit varier en fonction du signal modulant. Un dispositif qui exécute cette fonction est le varactor, un condensateur variable constitué par une diode polarisée en inverse. La capacitance de la jonction métallurgique est une fonction de l'amplitude de la polarisation inverse appliquée. En faisant varier la tension appliquée au varactor, la fréquence d'oscillation de l'oscillateur peut varier proportionnellement au signal modulant. Les modulateurs à modulation de fréquence connus, contenant des varactors,ne peuvent s'accommoder d'une vitesse de modulation élevée car la fréquence modulante s'approche de la valeur de la fréquence modulée, la différence entre les fréquences des deux signaux diminuant, et il devient donc de plus en plus difficile de séparer ces signaux. La tension modulante appliquée au condensa teur variable doit être plus grande que la tension modulée appui quée au condensateur de telle sorte que.c'est la tension modulan- te qui règle la variation de capacité et donc la variation de fréquence.De plus, la tension modulée à l'entrée et à-la sortie de l'amplificateur doit être plus grande que la tension modulante aux mêmes points car le signal prédominant dans le dispositif de déviation à modulation de fréquence doit être le-signal modulé et non le signal modulant. Un autre probl#ème que présentent les modulateurs de fréquence antérieurs qui utilisent des varactors, se rapporte à la valeur et-au-nombre des éléments d'emmagasinage dans le modulateur. Il est souhaitable que le nombre et la valeur de ces éléments d'emmagasinage, en excluant ceux qui sont nécessaires à la sélection de fréquence, soiaiL réduitsà un minimum car chaque élément d'emmagasinage indépendant supplémentaire augmente le degré de l'équation différenti#ILe qui régit le fonctionnement du modulateur et, du point de vue physique, chaque élément supplémentaire augmente la distorsion. Un problème surgit dans les circuits selon la technique antérieure qui exécutent une fonction similaire lorsque la fréquence de résonance du circuit doit varier rapidement. Dans ce cas, il y a une fuite sensible de la fréquence de commande vers la source ou vers la charge ou vers les deux à la fois. Le problème évoqué ci-dessus est résolu selon la présente invention qui procure un circuit dans lequel les deux branches série contiennent des dispositifs à capacité variable dont la capacité est déterminée par la tension sur chaque dispositif, ces capacités réglant la fréquence de r#ésonance du circuit. La branche shunt contient une source de commande propre à fournir une polari satio-n variable aux deux dispositifs à capacité variable de manière a en régler les capacités.Grâce à ce montage, la sortie de la source de commande peut varier depuis une fréquence nulle jusqutà une .fréquence s'approchant de la fréquence de résonance du circuit, la plus grande partie du signal de la source dé commande#apparais sant sur les capacités variables dans les deux branches série, is que seule une partie négligeable apparaît comme signal de fuite sur la source et sur la charge. Un aspect de la présente invention se rapporte à la con n - de ce circuit dans une-voie de rétroaction entre la sortie d'un amplificateur et son entrée, procurant ainsi un oscillateur à fréquence variable. Selon un autre aspect de l'invention, la source de comman- de peut utiliser une source de signaux modulants pour moduler la fréquence de l'osciliateur. La présente invention convient particulièrement bien à cette utilisation en raison de la fuite négligeable du signal modulant vers la sortie module. Selon l'invention, le réseau en T contient un condensateur variable dans chaque branchesérie, une extrémité d'une branche étant connectée à la sortie d'un amplificateur à faible impie dance d'entrée et faible impédance de sortie, et une extrémité de l'autre branche étant connectée à l'entrée de cet amplificateur afin de former une boucle de rétro-action pour constituer le modulateur de fréquence. La tension modulante est appliquée en série dans la branche shunt du réseau en T. En prévoyant un réseau en T à capacité variable, il est possible d'obtenir des vitesses de modulation élevées sans rencontrer des problèmes de séparation comme dans les montages selon la technique antérieure.En particulier, à la fréquence modulée, sensiblement toute la ~ténsion? développée à cette fréquence apparaît à l'entrée aussi bien qu'à la sortie de l'amplificateur, tandis qu'à la fréquenee-modulante, sensiblement toute la tension à cette fréquence apparaît sur les condensateurs variables et non à entrée ou à la sortie de l'amplificateur. Selon un autre aspect de l'invention, un modulateur à fréquence modulée comprend le réseau en T décrit ci-dessus contenant des condensateurs variables dans les branches-série,~les extrémités du réseau étant connectées dans la boucle de rétro-réaction d'un amplificateur en un circuit résonant série à faible impédan ce. En connectant le réseau en T dans le circuit résonant-série à faible impédance, l'inductance du conducteur-série peut être com binéeà l'inductance constante du circuit résonant série, et la capacité parallèle -parasite peut être noyée par la faible impédance d'entrée de l'amplificateur. Ces particularités permettent au modulateur à fréquence modulée selon l'inventiond'utiliser des éléments d'emmagasinage de faible valeur et un nombre minimum de tels éléments d'emmagasinage, deux--conditions qui sont souhaitables pour les raisons expliquées plus haut. Les avantages obtenus par l'utilisation du réseau en T selon l'invention dans un modulateur à fréquence modulée peuvent également être obtenus dans d'autres dispositifs dans lesquels une bonne séparation ce fréquence est souhaitable tout en maintenant à un minimum le nombre - les valeurs des éléments d'emmagasinage non utilisés pour assurer la détermination de fréquence.Comme autre particuGarité de ltinventionS une source fournissant un signal dont des composantes de fréquence doivent être sélectionnées, peut être connectée à imne extrémité d'une branche série du réseau en T selon linventlon, tandis qu#une-extrémité de 19autre branche serie se trouve connectée à une charge qui doit recevoir les composantes de fréquences sélectionnees En appliquant un signal de commande à la branche shunt du résea en T afin de faire varier des capacités contenues dans les branches sérdess on peut obtenir une sélection de fréquence variable doune façon continue tandis que la quantité de signal de commande, qui est acheminée vers la source et vers la charge, peut être maintenue à une valeur minimum. Le modulateur à fréquence modulée décrit ci-dessus n'est qu'un exemple spécifique d'application des principes de l'invention. L'invention sera décrite plus en détails ci-après à l'aide des dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est un schéma fonctionnel de la forme fondamentale d'un oscillateur à réaction; - les figures 2, 3, 4 et 5 sont des schémas de modulateurs à fréquence modulée selon la technique antérieure; - la figure 6 est un schéma d'une forme de réalisation de l'invention utilisant un réseau en T dans le circuit de rétroaction d'un amplificateur; - la figure 7 est un schéma d'une forme de réalisation de l'invention, pouvant être utilisée pour obtenir une sélection de fréquence,variable d'une façon continue. Comme on l'a dit plus haut, un modulateur à fréquence modulée selon la technique antérieure ne peut être utilisé en pratique pour des fréquences de modulation élevées en raison des problèmes de séparation de signaux qui surgissent. De plus, il est souhaitable que le modulateur à fréquence modulée soit composé d'éléments dont la capacité totale est aussi petite# que possible puisque, à mesure qu'augmente le nombre d'éléments d'emmagasinage, l'équation mathématique qui régit le fonctionnement du circuit et ce fonctionnement lui-même augmentent en complexité et, en pratique, la distorsion augmente. On va dgabord décrire brièvement quelques modulateurs à fréquence modulée selon la technique antérieure puis on décrira des formes de réalisation du dispositif selon l'inven tion. La figure 1 illustre une forme bien connue d'oscillateur. La sortie de l'amplificateur 10 est connectée à son entrée par l'intermédiaire d'un réseau il sélectif à la fréquence. La fréquence de la tension de sortie de l'oscillateur est la fréquence pour laquelle la variation totale de phase le long de la boucle est nulle. En sélectionnant convenablement les composants du réseau de rétroaction 11, qui déterminent la fréquence, on peut déterminer la fréquence pour laquelle ltoscillateur produira un signal de sortie. Pour faire varier la fréquence d'osillation de lsoscillateur, il faut modifier les caractéristiques du réseau 11. Un modulateur à fréquence mod#ulée peut être réalisé en modifiant la sortie de l'oscillateur en réponse à un signal modulant lequel, par exemple, peut être proportionnel à une information à fréquence vocale qui doit être transmise. En faisant varier en réponse à une tension modulante appliquée, -les -vaIeurs des#com- posants qui, dans le réseau 11, déterminent la fréquence,on obtient une modulation de fréquence. Un dispositif qui peut être utilisé pour assurer une capacité variable est par exemple le varactor, c'est-à-dire une diode polarisée en inverse. La capacité de la jonction métallurgique est fonction de l'amplitude de la tension inverse appliquée à la diode.En faisant varier la capacité du varactor, le réseau 11 modifie sa caractéristique de fréquence, produisant ainsi une déviation de la fréquence engendrée par l'oscil- lateur et réalisant ainsi une modulation de fréquence. Plusieurs exemples de modulateurs à fréquence modulée connus utilisant des capacités variables sont représentés sur les figures 2 à 5. Dans le circuit représenté sur la figure 2, le circuit de rétroaction comprend un circuit résonant parallèle. La sortie de l'amplificateur 20 est connectéeà l'entrée de ce circuit et à une extrémité de la résistance 21, du condensateur variable 22 et de la bobine dtinduction 23. L'autre extrémité de la résistance 21 est connectée à un point de potentiel de référence par ltintermé- diaire de la source de tension modulante 24. Les autres extrémités du condensateur 22 et de la bobine d'induction 23 sont connectées ensemble et au même point de potentiel de référence.La tension modulante fournie par la source 24 fait varier la capacité du condensateur variable 22 et modifie la caractéristique du réseau comprenant la résistance 21, le condensateur variable 22 et la bobine d'induction -23. En faisant varier la caractéristique de fréquence du réseau sélectif, la fréquence du signal produit par le modulateur varie en réponse à la tension modulante de la source 24. Dans le circuit représenté sur la figure 3, le circuit de rétroaction d'un amplificateur contient un réseau résonant- série. La sortie de l'amplificateur 30 est connectée à une électrode du condensateur variable 31 et à une extrémité de la résistance 32. L'autre extrémité de la résistance 32 est connectée à liautre élec- trode du condensateur variable- 31 par l'intermédiaire d'une source dé tension modulante 33. A cette seconde électrode du condensateur 31 est également connectée une extrémité de la bobine d'induction 34 dont lsautre-extrémité est connectée à l'entrée de lsamplifica- teur 30. Lorsque la tension modulante varie, la capacité du-conde.n- sateur 31 varie, modifiant ainsi la caractéristique du réseau résonant. Il enrésulte une vàriation de la fréquence de sortie du modulateur à fréquence modulée, similaire à la variation obtenue dans le montage représenté sur la figure 2. Le circuit représenté sur la figure 4 est une variante du circuit représenté sur la figure 2. L'entrée et la sortie de l'amplificateur 40 sont connectées ensemble ainsi qu'à une électrode du condensateur variable 41 et à une extrémité de la bobine dgin- duction 42. L'autre électrode du condensateur 41 est connectée à un point de potentiel de référence par l'intermédiaire d'une résistance 43 et d'une source de tension modulante 44 connectées en série. La seconde extrémité de la bobine d'induction 42 est également connectée à ce point de potentiel de référence. Comme décrit plus haut, la tension modulante produite par la source 44 fait varier la capacité du cnndensateur 41, modifiant ainsi la fréquence de sortie du modulateur. La figure 5 illustre une variante du circuit représenté sur la figure 3. La sortie de l'amplificateur 50 est connectée à son entrée par l'intermédiaire de la bobine d'induction 51, du condensateur variable 52, de la résistance 53 et de la source de tension modulante 54 connectés en série. Lorsque la capacité du condensateur variable 52 varie, la fréquence# engendrée par le modulateur à fréquence modulée varie également. Les modulateurs qui viennent dPêtre décrits sont des exem ples de modulateurs à fréquence modulée selon la technique antérieure. Il y a certaines exigences -fondamentales que l'on souhaite d'un modulateur à fréquence modulée qui ne peuvent être satisfaites simultanément par les circuits connus.Ces exigences sont essentiellement les suivantes: 1.- La source dr signal modulant ne doit pas faire dimir nuer notablement le facteur de qualité du circuit résonant; 2.- La tension modulante appliquée au condensateurvaria- ble doit être notablement plus grande que la tension modulée car c'est la tension modulante qui doit régler la variation de capa cité en vue d'assurer la modulation optimale avec une distorsion faible; 3.- La tension modulée à l'entrée et à la sortie de l'amplificateur doit être notablement plus grande que la tension mo dulante en ces points car le signal prédominant engendré par le modulateur à fréquence modulée doit être le signal modulé et non le signal modulant.Si cette condition n'est pas satisfaite, le signal modulant provoque une modulation d'amplitude du signal modulé engendré et il peut empêcher l'oscillation dtéquilibre puisque le gain d'amplificateur, qui est fonction de la non-linéarité de l'amplificateur, est alors réglé par le signal modulant et non par le signal modulé; 4.- Pour l'élaboration de base du circuit, il est souhaitable que la source de signal modulant soit miseà la terre; 5.-Le nombre total d'éléments d'emmagasinage dans un modulateur à fréquence modulée, à ltexceptìgn de ceux qui sont nécessaires pour assurer la sélection de fréquence, doit être minimum car chaque élément d'emmagasinage indépendant supplémentaire augmente le degré de l'équation différentielle qui régit le comportement du modulateur et il acéroit la distorsion du modulateur. Ces cinq critères ne peuvent être satisfaits simultanément par les modulateurs à fréquence modulée représentés sur les figures 2 à 5. Le modulateur selon la figure 2 ne peut manifestement satisfaire aux exigences 2 et 3 car le condensateur variable 22 est connecté à l'entrée de l'amplificateur. Dès lors, la tension modulante et la tension modulée sont appliquées chacune à l'entrée de l'amplificateur et au condensateur variable. La séparation voulue ne peut donc être effectuée en utilisant ce montage. Le circuit selon la figure 3 ne peut satisfaire aux exigences 2 et 3 simultanément. La tension à la fréquence modulante apparaît à l'entrée de l'amplificateur 30 puisqu'il nty a pas dteffet de blocage entre la tension modulante appliquée et l'en- trée de l'amplificateur. Comme la tension modulante apparaît à l'entrée de lamplificateur, il est clair qu'elle apparaît égale ment à sa sortie et cuvelle module en amplitude le signal modulé en fréquence. Le circuit selon la figure 4 ne peut satisfaire à l'exi- gence 5 car son fonctionnement est basé sur un circuit antirésonant à impédance élevée avec division de courant. L'inductance du conducteur série peut etre noyée par une résistance série élevée; toutefois, la capacité parallèle parasite ne peut être combinée et ne doit pas être combinée avec la capacité variable du circuit resonant. Si cette combinaison devait se produire, on peut montrer qu'elle élimine la possibilité que la variation de capacité du circuit résonant soit inversement proportionnelle à la tension modulante, ce qui est le cas idéal pour assurer une distorsion minimum. Le circuit selon la figure 5 ne peut satisfaire à ltexi- gence 4. Il est clair que la source de signal modulant 54 ne peut être mise à la terre. Les modulateurs à fréquence modulée décrits ci-dessus sont des exemples simples de circuits plus complexes mais ils représentent avec suffisamment de précision le phénomène de modulation obtenu au moyen de dispositifs selon la technique antérieure. On a montré que les montages connus ne peuvent procurer un modulateur à fréquence modulée qui soit relativement simple et qui satisfasse aux cinq exigences énumérées plus haut. Par contre, la présente invention procure un modulateur à fréquence modulée qui peut fonctionner avec une vitesse de modulation relativement élevée. La figure 6 illustre une forme de réalisation du montage selon l'invention, dans lequel deux dispositifs à capacité variable sont utilisés dans les branche série d'un réseau en T, la branche shunt contenant la source de tension modulante. La sortie de l'amplificateur 60 est connectée à son entrée par l'intermédiaire d'une chaîne série contenant la bobi#ne d'induction 61, les dispositifs à capacité variable 62 et 63, et la bobine d'induction 64. Un pôle de la source de tension modulante 65 est connecté au point de jonction entre les deux dispositifs à capacité variable 62 et 63 par l'intermédiaire d'une résistance 66, l'autre pôle de la ssource 65 étant mis à la terre. On peut montrer que les cinq exigences énumérées plus haut peuvent être satisfaites par le montage selon la figure 6. Un facteur de qualité Q élevé peut être maintenu puisque la valeur de la résistance 66 se trouve essentiellement aux bornes de chaque circuit résonant série au lieu d'être connectée à un seul condensateur ou à une selle bobine d'induction ou à un seul circuit résonant parallèle. La réactance,qui doit être petite comparée à la valeur de la résistance 66,est donc voisine de zéro.Les exigences 2 et 3 sont satisfaites car les dispositifs 62 et 63 bloquent effectivement la tension modulante fournie par la source 65 et empêche cette tension d'être appliquée à l'entrée ou à la sortie de l'amplificateur 60 étant donné que les impédances de sortie et d'entrée de l'amplificateur 60 sont également petites. L'exigence 4 est évidemment réalisable puisque la source 65 est mise à le terre. L'exigence 5 peut être satisfaite puisque l'inductance- sé- rie du conductor peut être noyée par l'inductance constante des bobines d'induction 61 et 64 tandis que la capacité parallèle parasite peut être noyée par les faibles impédances d'entrée et de sortie de l'amplificateur. Le montage selon la figure 5 représente donc un modulateur à fréquence modulée qui satisfait simultanément aux cinq exigences voulues. Le réseau en T contenant des dispositifs à capacités variables dans ces branches série peut être utilisé avantageusement dans des circuits autres que celui d'un modulateur à fréquence modulée décrit d'une façon spécifique ci-dessus. Un autre exemple d'utilisation est un sélecteur de fréquence à variation continue tel qu'illustré sur la figure 7. La source 70 fournit un signal dont les composantes de fréquence doivent être sélectionnées. La source 70 est connectée d'une part à la terre, et d'autre part à une extrémité de la résistance 72 et à une extrémité de la bobine d'induction 73, par l'intermédiaire d'une résistance 71. L'autre extrémité de la résistance 72 est connectée à une électrode d'une batterie 74 dont l'autre électrode est reliée à la terre. La batterie 74 fournit une tension de polarisation inverse nominale au varactor 75 qui est un dispositif à capacité variable. L'autre extrémité de la bobine d'induction 73 est connectée à leanode-du varactor 74, la cathode de celui-ci étant connectée à un pôle de la source de tension de commande 76 à travers la résistance 77. Lizutre pôle de la source 76 est connecté à la terre. La cathode du varactor 75 est connectée à la cathode du varactor 78 dont l'anode est connectée à une extrémité de la résistance de sortie 700 et à une extrémité de la résistance 701 par l'intermédiaire de la bobine d'induction 79. L'autre extrémité de la résistance 701 est connectée à la terre à tra vers une batterie d'alimentation 702 qui fournit au varactor 78 une tension de polarisation inverse nominale. L'autre extrémité de la résistance 700 est connectée à la terre. La source 76 modifie la valeur de capacité des dispositifs 75 et 78 et permet au circuit représenté sur la figure 7 dietre utilisé comme dispositif de sélection de fréquence à variation continue. Lorsque les valeurs des varactors 75 et 78 sont modifiées, la fréquence de résonance du réseau en T varie. A la résonance, l'impédance entre la source 70 et la charge 700 est nulle tandis qu'aux autres fréquences lwimpédance devient relativement grande. En modifiant les valeurs des varactors 75 et 78, les composantes de fréquence -du signal de source sont donc transmises sélèctive- ment à la charge. Lorsque la source (70, 71) constitue le circuit de sortie d'un amplificateur (par exemple l'amplificateur 60 sur la figure 6) et lorsque la charge 700 constitue, lfimpédance d'entrée du même amplificateur, le circuit selon la figure 7 fonctionne en sorte que la fréquence de sortie de l'oscillateur soit réglée par la source 76. L'oscillateur à fréquence variable fonctionne comme modulateur à fréquence modulé lorsque la source 76 constitue une source de signal modulant. Les principes de lfinvention peuvent etre utilisés avec n'importe quel oscillateur variable requérant une vitesse de modulation élevée ou avec nu importe quel dispositif de sélection de fréquence a variation continue. Les avantages marquants que procure lfinvention peuvent être obtenus dans le#s modulateurs à fréquence. modulée lorsque la fréquence de sortie du modulateur est réglé par la tension d'une source modulante, ou dans des sélecteurs de fréquence à variation continue lorsque la fréquence qui doit etre sélectionnée est réglée par une source de tension variable. REVENDICATIONS. 1.- Circuit ayant une fréquence de résonance naturelle pour sélectionner des composantes de fréquence dpun signal émis par une source et fournissant ces composantes de fréquence sélectionnées à une charge, les composants du circuit étant connectés dans un montage en T comportant une première branche série, une seconde branche série et une branche shunt, -caractérisé en ce que la première branche série contient un premier condensateur varia ble (75) dont la capacité peut être modifiée en faisant varier la tension appliquée au condensateur, en ce que la seconde branche série contient un second condensateur variable (78) dont la capa cité peut être modifiée en faisant varier la tension appliquée au condensateur, et en ce que la branche shunt contient des moyens de polarisation variables (76, 77) pour régler la capacité desdits condensateurs variables de manière à régler la fréquence de résonance naturelle du circuit. 2.- Circuit selon la revendication 1, caractérisé en cequ'il est connecté dans une voie de rétro-action reliant la sortie d'un amplificateur (60) et l'entrée de cet amplificateur, comme organe déterminant la fréquence d'un oscillateur à fréquence variable. 3.- Circuit selon la revendicatidn 1, caractérisé en ce que les moyens de polarisation variables comprennent une source de signaux modulants afin de moduler la fréquence de l'oscillateur. 4.- Circuit selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le condensateur variable consiste en une diode à état solide, polarisée en inverse. 5.- Circuit selon l'une quelconque des r#vendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la première branche série contient une première bobine d'induction 73, et en ce que la seconde bran che série contient une seconde bobine diinduction 79.