Les synthétiseurs de fréquence : par F5RCT
Principe et application
le 18 mars 2007

Fvco = N x Fr
La fréquence de référence définit le pas de synthèse.

Le bruit de phase :

La qualité d’un synthétiseur de fréquence dépend surtout de la pureté du signal délivré en termes de bruit de phase. Dans un oscillateur, le bruit de phase se caractérise par des fluctuations aléatoires de la phase du signal causée par des instabilités temporelles. Autrement dit, le bruit de phase caractérise un aspect statistique de l’oscillateur à délivrer une fréquence unique. Plus simplement, lorsque l’on s’éloigne de la porteuse de l’oscillateur, on observe une pente décroissante de bruit. Le bruit de phase s’exprime en densité de bruit par rapport à la porteuse (dBc/Hz) pour un décalage donné : par exemple -90dBc/Hz à 10kHz de la porteuse. Les mesures de bruit de phase nécessitent des équipements très sophistiqués qui sont hors de portée de l’amateur. Pour néanmoins pour concevoir un oscillateur à faible bruit de phase il est possible de se fixer quelques règles de conception que nous retrouvons dans la littérature traitant ce sujet :

Les dix règles d’or à appliquer pour réaliser un bon synthétiseur de fréquence :

1. Garder un pas de synthèse et une fréquence de comparaison la plus haute possible afin d’éloigner les raies qui sont à la fréquence de comparaison, le plus loin possible de la porteuse. Ces raies dites de synthèse peuvent convertir l’énergie d’un canal adjacent vers la fréquence intermédiaire. La fréquence de coupure de la boucle doit être la plus basse possible. Le filtre de boucle doit se terminer par une cellule passive avant d’attaquer la diode du VCO.
2. Ne pas utiliser d’alimentation à découpage, ni de convertisseur, à proximité directe du VCO. Un couplage inductif ou une ondulation résiduelle de l’alimentation peut perturber le VCO.
3. Garder la tension de commande de la diode varicap dans la plage la plus haute possible. Ne jamais descendre en dessous de 3V où la tension d’oscillation devient non négligeable face à la tension de commande. Si le filtre de boucle fait appel à un amplificateur opérationnel, prendre garde à la gamme de sa tension de sortie.
4. Limiter le couplage de la diode varicap au minimum, préférer un couplage de la varicap par capacité série. Utiliser deux diodes en série et ne pas hésiter à former des couples en parallèle s’il le faut pour augmenter le facteur de qualité et dé-corréler le bruit des diodes en elles. Polariser les diodes varicap par des selfs de choc (1µH résonne environ à 150MHz) au lieu d’employer des résistances de 47k à 100k. Afin d’éviter les résonances parasites il vaut mieux mettre deux selfs de nature différentes en série.
5. La pente de conversion du VCO [MHz/V] doit être la plus faible possible. Le bruit sur la tension de commande du VCO aura moins d’incidence sur le bruit de phase final.
6. Mettre en œuvre une alimentation très faible bruit avec un régulateur spécifique (2.5µVeff pour le LM723). Ajouter une cellule de filtrage spécifique au VCO coupant très bas (100 Ohms et 470µF). Tout bruit d’alimentation risque de se trouver transposé au pied de la porteuse. Il en sera de même pour l’alimentation 5V du circuit PLL : le bruit des fonctions numériques peut remonter dans la boucle d’asservissement.
7. Garder un facteur de qualité de la bobine le plus élevé possible. Les bobinages en cuivre argenté de grand diamètre sont mieux adaptés à 150MHz que les petits modèles en CMS.
8. Choisir un composant actif faible bruit pour l’oscillateur. Le J-FET améliore les performances en facteur de bruit de 10dB par rapport au transistor bipolaire. Polariser celui-ci dans une région favorable au faible facteur de bruit. Une contre réaction en BF peut améliorer le bruit (ne pas découpler la résistance de source). Ne pas monter de diode de limitation dans le circuit de grille, celle-ci apporte du bruit et dépolarise le transistor.
9. L’étage suiveur du VCO doit apporter une bonne isolation. Utiliser des composants faibles bruit, car cet étage contribue au bruit de phase final de l’ensemble loin de la porteuse.
10. Assurer une très bonne tenue mécanique de l’ensemble pour éviter les effets microphoniques. Les spires de la self du VCO ne doivent pas enter en vibration : prévoir le collage, ou le surmoulage dans de la paraffine ou un polymère. Les capots de blindage doivent être très rigide ou blinder spécifiquement la zone du VCO.

Quelque soit l’oscillateur, nous devons nous rappeler que tout bruit introduit dans le domaine basse fréquence peut se retrouver transposé de part et d’autre de la porteuse. Les oscillateurs les plus purs en bruit de phase sont conçus à partir de résonateurs à quartz. Puis, par ordre croissant en bruit de phase nous avons les oscillateurs à cavité, à résonateurs céramique, à circuit LC fixe, à circuit LC avec diode varicap, les oscillateurs intégrés, et enfin les oscillateurs RC. Nous voyons que l’oscillateur commandé en tension (VCO) ne se situe pas parmi les meilleurs. Une alternative serait d’adopter les oscillateurs à quartz commandés en tensions commutés suivant les sous-bandes du synthétiseur, mais ce type de structure est plus difficile et couteuse à mettre en œuvre pour l’amateur.

L’application des règles sur les oscillateurs à faible bruit de phase a donné le premier schéma de cet ensemble. Sur ce schéma, le transistor JFET T1 est monté en oscillateur « Hartley », par la mise à la masse de la gate de T1 et le circuit de réaction configuré entre le drain et la source. Ce type d’oscillateur VHF est mieux adapté que le « Colpitts » en dessous de 10V de tension d’alimentation. Il permet une sortie basse impédance sur la source et une dynamique élevée sur le circuit résonnant qui est reporté sur le drain. Ce type d’oscillateur fut inspiré de la littérature de Ulrich Rhode et celui-ci a été appliqué dès les premiers générateurs HF de la marque Rhode & Schwarz.

Un prototype en cours

merci à Jean Matthieu
pour son exposé très intéressant.

(Photos F5NWY et Véronique)

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