Oscillation parasite

L'oscillation parasite est une oscillation auto-entretenue non intentionnelle dans un circuit électronique, généralement causée par une rétroaction involontaire combinée à un gain et un déphasage suffisants dans un dispositif amplificateur. Elle survient le plus fréquemment dans les amplificateurs RF et audio, mais peut se manifester dans de nombreux types de circuits analogiques. Il s'agit de l'un des problèmes fondamentaux traités par la théorie du contrôle.

L'oscillation parasite est indésirable pour plusieurs raisons. Les oscillations peuvent se coupler à d'autres circuits ou rayonner sous forme d'ondes radio, provoquant des interférences électromagnétiques (EMI) avec d'autres appareils. Dans les systèmes audio, les oscillations parasites peuvent parfois être perçues comme des sons gênants dans les haut-parleurs ou les écouteurs. Les oscillations dissipent de la puissance et peuvent provoquer un échauffement indésirable. Par exemple, un amplificateur de puissance audio qui entre en oscillation parasite peut générer suffisamment de puissance pour endommager les haut-parleurs connectés. Un circuit en oscillation n'amplifie pas linéairement, de sorte que les signaux souhaités traversant l'étage sont déformés. Dans les circuits numériques, les oscillations parasites ne peuvent se produire que lors de transitions logiques particulières et entraîner un fonctionnement erratique des étages suivants ; par exemple, un étage de comptage peut détecter de nombreuses impulsions parasites et compter de manière irrégulière.

Causes

L'oscillation parasite dans un étage amplificateur se produit lorsqu'une partie de l'énergie de sortie est couplée à l'entrée, avec une phase et une amplitude appropriées, pour produire une rétroaction positive à une certaine fréquence. Le couplage se produit directement entre les câblages d'entrée et de sortie par capacité parasite ou inductance mutuelle. Dans certains dispositifs électroniques à semi-conducteurs ou à vide, la capacité interne est suffisante pour fournir un chemin de rétroaction. Étant donné que la masse est commune à l'entrée et à la sortie, le courant de sortie traversant l'impédance de la connexion de masse, peut également coupler des signaux en retour vers l'entrée.

De même, l'impédance de l'alimentation électrique peut coupler l'entrée et la sortie et provoquer une oscillation. Lorsqu'une alimentation commune est utilisée pour plusieurs étages d'amplification, la tension d'alimentation peut varier avec le changement de courant dans l'étage de sortie. Les variations de tension de l'alimentation apparaîtront dans l'étage d'entrée comme une rétroaction positive. Un exemple est celui d'un transistor radio qui fonctionne correctement avec une pile neuve, mais qui siffle ou produit un « bruit de moteur » lorsque la pile est usagée.

Dans les systèmes audio, si un microphone est placé près d'un haut-parleur, des oscillations parasites peuvent se produire. Celles-ci sont dues à une rétroaction positive, de la sortie de l'amplificateur vers le haut-parleur, puis vers les ondes sonores, et enfin via le microphone vers l'entrée de l'amplificateur. Cet effet porte le nom de rétroaction audio ou effet Larsen.

Conditions

La théorie du contrôle par rétroaction a été développée pour résoudre le problème des oscillations parasites dans les systèmes d'asservissement– ces systèmes oscillaient au lieu de remplir leur fonction prévue, par exemple la régulation de vitesse des moteurs. Le critère de stabilité de Barkhausen fournit la condition nécessaire à l'oscillation : le gain de la boucle de rétroaction, égal au gain de l'amplificateur multiplié par la fonction de transfert de la boucle de rétroaction parasite, doit être égal à un, et le déphasage de la boucle doit être nul ou un multiple de 360° (2π radians ).

Dans la pratique, la rétroaction peut se produire sur une gamme de fréquences (par exemple, la plage de fonctionnement d'un amplificateur) ; à diverses fréquences, la phase de l'amplificateur peut être différente. S'il existe une fréquence où la rétroaction est positive et où la condition d'amplitude est également satisfaite, le système oscillera à cette fréquence.

Ces conditions peuvent être exprimées mathématiquement à l'aide du diagramme de Nyquist. Une autre méthode utilisée dans la théorie de la boucle de contrôle recourt aux diagrammes de Bode du gain et de la phase en fonction de la fréquence. À l'aide des diagrammes de Bode, l'ingénieur concepteur vérifie s'il existe une fréquence où les deux conditions d'oscillation sont réunies : la phase est nulle (rétroaction positive) et le gain de boucle est égal ou supérieur à 1.

Lorsque des oscillations parasites se produisent, le concepteur peut recourir aux divers outils de la théorie de la boucle de contrôle pour remédier à la situation — réduire le gain ou modifier la phase aux fréquences problématiques.

Atténuation

Plusieurs mesures sont employées pour prévenir l'oscillation parasite. Les circuits amplificateurs sont conçus de sorte que les câblages d'entrée et de sortie ne soient pas adjacents, empêchant ainsi le couplage capacitif ou inductif. Un blindage métallique peut être placé sur les parties sensibles du circuit. Des condensateurs de découplage peuvent être installés aux connexions d'alimentation afin de fournir un chemin à faible impédance pour les signaux alternatifs et d'éviter le couplage entre étages via l'alimentation. Lorsque des circuits imprimés sont utilisés, les étages de forte et de faible puissance sont séparés, et les pistes de retour de masse sont disposées de manière à ce que les courants importants ne circulent pas dans des portions mutuellement partagées de la piste de masse. Dans certains cas, le problème ne peut être résolu que par l'introduction d'un réseau de neutralisation de rétroaction supplémentaire, calculé et ajusté pour éliminer la rétroaction négative dans la bande passante du dispositif amplificateur. Un exemple classique est le circuit Neutrodyne utilisé dans les récepteurs radio à fréquences accordées.

Voir aussi

• Collision de train dans le métro de Washington en juin 2009, accident de train mortel causé par une oscillation parasite dans les circuits de signalisation

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Parasitic oscillation » (voir la liste des auteurs).