Circuit de Wien

Pont de Wien

Le schéma de l'oscillateur à pont de Wien

Le pont de Wien, mis au point par Max Wien, est un circuit électrique composé de deux impédances Z1 et Z2 en série. Z1 est constituée d'une résistance R1 et d'un condensateur C1 en série, Z2 d'une résistance R2 et d'un condensateur C2 en parallèle.

Le pont de Wien peut être utilisé comme filtre.

Oscillateur à pont de Wien

Il peut aussi être utilisé pour réaliser un oscillateur produisant des signaux sinusoïdaux avec une faible distorsion.

Rappelons qu'un oscillateur est composé de deux parties :

• un amplificateur : celui-ci a, selon les époques, été réalisé avec un tube à vide, avec un ou plusieurs transistors bipolaires ou à effet de champ ; ceux-ci peuvent être intégrés sur une puce ;
• un circuit de réaction, placé entre la sortie de l'amplificateur et son entrée ; ce circuit met en œuvre diverses impédances : résistances, condensateurs, bobines, quartz.

C'est le circuit de réaction qui détermine la fréquence d'oscillation. En effet, celle-ci se produit à une fréquence où la condition d'oscillation n.Go = 1 est satisfaite. n et Go, tous deux complexes, représentent le « gain » du circuit de réaction et le gain de l'amplificateur.

À la fréquence $f=\frac{1}{2 \pi \sqrt{R_{1}R_{2}C_{1}C_{2}}}$ soit $f=\frac{1}{2\pi{RC}}$, le « gain » du filtre de Wien vaut 1/3 et le signal de sortie est en phase avec le signal d'entrée. En raccordant le filtre de Wien entre la sortie et l'entrée d'un amplificateur de gain 3 (un amplificateur opérationnel dans la figure), on obtient un oscillateur qui produit une sinusoïde à la fréquence indiquée.

En général, on prend R₁ = R₂ et C₁ = C₂.

Stabilisation de l'amplitude des oscillations

Le gain de l'AOP dépend des résistances R3 et R4 ; pour avoir un gain de 3, on prendra R3 = 2 R4.

Mais les imprécisions des valeurs de R3 et R4 font que cette condition n'est jamais tout à fait remplie. Que se passe-t-il alors :

• si R3 < 2 R4, l'oscillateur n'oscille pas ;
• si R3 > 2 R4, l'oscillation démarre bien, l'amplitude croît jusqu'à la valeur limite, déterminée par la tension d'alimentation de l'AOP ; le problème, c'est que dans cette condition la forme d'onde est distordue, les sommets sont aplatis.

Pour remédier à ce problème, on remplace R3 ou R4 par une CTP ou une CTN (résistances dont la valeur croît ou décroît avec la température). L'amplitude se stabilise à une valeur telle que R3 soit égale à 2 R4.

Cela fonctionne de la façon suivante : supposons que R4 soit une CTP. Si, pour une raison quelconque, l'amplitude croît légèrement, la puissance dissipée dans R4 augmente, ce qui fait croître sa valeur et donc réduit le gain de l'AOP, ce qui ramène l'amplitude à son niveau correct.

Bref historique

Le pont de Wien a été développé à l'origine par Max Wien en 1891. À cette époque, Wien n'avait pas les moyens de réaliser un circuit amplificateur et donc n'a pu construire un oscillateur. Le circuit moderne est dérivé de la thèse de mastère de William Hewlett en 1939. Hewlett, avec David Packard, co-fonda Hewlett-Packard. Leur premier produit fut le HP 200A, un oscillateur basé sur le pont de Wien. Le 200A est un instrument classique connu pour la faible distorsion du signal de sortie.

La CTP utilisée était simplement un filament de lampe à incandescence. Les oscillateurs à pont de Wien modernes utilisent, à la place d'un filament d'ampoule, des transistors à effet de champ ou des cellules photoélectriques. Des taux de distorsion de l'ordre de quelques parties par million peuvent être obtenus en améliorant légèrement le circuit original de W. Hewlett.

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