Les oscillateurs à quartz et leurs applications

Introduction :

Les oscillateurs à quartz sont des circuits électroniques basés sur un quartz oscillant afin de générer une fréquence très stable. Selon les exigences et les conditions environnementales, il est possible d'obtenir des stabilités de fréquence de l'ordre de 10E-5 à 10E-12 par jour. Des modules d'oscillateurs standardisés sont disponibles pour les applications quotidiennes, tandis que les oscillateurs de haute précision sont généralement conçus et fabriqués individuellement pour répondre à des exigences spécifiques.

Types d'oscillateurs :

Conformément aux normes internationales, les oscillateurs à quartz sont répartis dans les catégories suivantes :

1. SPXO - oscillateurs à quartz simples (Simple Package Crystal Oscillator)
2. VCXO - Oscillateurs à quartz à tension contrôlée (Voltage Controlled Crystal Oscillator)
3. TCXO - Oscillateurs à quartz compensés en température (Temperature Compensated Crystal Oscillator)
4. OCXO - Oscillateurs à quartz à température stabilisée (Oven Controlled Crystal Oscillator)
5. LPXO - Oscillateurs à quartz basse puissance avec stabilités de température à partir de ±0,5ppm sur -40/+85°C et avec un vieillissement de ±1x10E-6.

Comportement en température

Les changements de température influencent la fréquence du quartz, même pour les quartz de coupe AT stables en température. Des éléments de commutation ou des CI supplémentaires peuvent dégrader ce comportement. La division de fréquence est une méthode possible pour améliorer la précision aux basses fréquences.

Influence de la tension de fonctionnement et de la charge

La fréquence est sensible aux variations de tension, notamment en raison de la variation de capacité des transistors d'amplification. L'impédance de charge à la sortie a également une influence sur la fréquence. Les amplificateurs tampons aident à minimiser ces effets.

Comportement à long terme

Le vieillissement de la fréquence est généralement plus important au cours des premiers mois de fonctionnement. Un "rodage" à température élevée peut réduire ce vieillissement. Les oscillateurs à haute stabilité restent en veille afin d'éviter toute dérive de fréquence à la mise en marche.

Les VCXO (voltage controlled quartz oscillators / oscillateurs à quartz contrôlés par tension) permettent un contrôle de fréquence via une tension continue externe. Normalement, ils ne sont plus utilisés que pour la synchronisation d'un appareil/application sur un signal de référence entrant (concept maître-esclave) ou pour la modulation de fréquence. Une diode de capacité (varactor) remplace alors le condensateur d'ajustement.

Paramètres typiques :

• Plage de tirage de fréquence (Pull Range = par exemple ±50ppm min.)
• Sensibilité de tirage (Pullability = par exemple ±10ppm/pF)
• Non-linéarité de la modulation (par exemple 10% max.)

Dans le cas du TCXO, le changement de fréquence est compensé par la température. Selon le procédé, le contrôle peut être analogique (avec des réseaux de thermistances) ou numérique (avec un capteur, un ADC, une mémoire et un DAC).

Les TCXO connaissent une véritable renaissance dans les technologies de communication et de navigation et peuvent être fabriquées à un prix très avantageux grâce aux circuits intégrés que nous utilisons. Les TCXO sont les oscillateurs à quartz de haute précision les plus répandus et convainquent par un très bon bruit de phase et d'excellentes valeurs de jitter. Les TCXO sont donc également le premier choix et préférables aux oscillateurs MEMS lorsqu'ils sont utilisés dans des circuits avec multiplication de la fréquence.

Les domaines d'application typiques sont les applications GPS, GLONASS, les smart phones, les appareils radio, IoT, IIoT, les applications de smart meter, les routeurs, les appareils de mesure, etc.

Stabilité de fréquence atteignable :

• Typiquement <0,5 - 2.5 ppm sur -40 - +85 °C

Les OCXO fonctionnent avec un thermostat chauffé qui maintient le quartz et, le cas échéant, le circuit à une température constante. Dans le cas de l'OCXO, la température du thermostat peut être de l'ordre de +85 °C. En principe, la température de chauffage est proche du point d'inversion de la courbe TK du quartz. Pour que le résonateur à quartz ait le moins de dérive de fréquence possible, on utilise un quartz dans un harmonique dans l'OCXO. Normalement dans le 3e ou le 5e harmonique. C'est justement dans le 5e harmonique que la capacité dynamique C1 (Shunt Capacitance) est très faible, ce qui facilite la compensation de la fréquence du quartz.

Il existe des thermostats à un étage et des thermostats à deux étages (doubles). Ces derniers offrent une constance de température maximale avec des écarts de fréquence moindres. En outre, selon la précision requise, on utilise des résonateurs à quartz à coupe AT ou SC. Les quartz à coupe SC offrent une précision de fréquence beaucoup plus élevée et une stabilité de température beaucoup plus grande que les quartz AT.

Précisions typiques :

• < 1 x 10E-7 (OCXO simple)
• < 1 x 10E-9 (OCXO double)

En raison de la consommation d'énergie et de la taille, l'utilisation d'OCXO est généralement réservée aux applications de haute précision telles que les stations de base de téléphonie mobile, les étalons de référence GPS, la métrologie ou les télécommunications.

Résumé des principaux paramètres de l'oscillateur

• Fréquence nominale et tolérance
• Changement de fréquence dû à : température, tension, charge, temps (vieillissement)
• comportement au rodage, stabilité à court terme
• Alimentation : tension, courant, ondulation
• Signal de sortie : niveau, forme, bruit
• Facteurs environnementaux : plage de température, chocs, vibrations

Les LPXO sont un "intermédiaire" entre les SPXO et les TCXO. Les LPXO sont toujours utilisés lorsque l'on a besoin d'une faible consommation de courant ou lorsque la tolérance de fréquence d'un SPXO est trop faible et celle d'un TCXO trop précise. Ainsi, un LPXO est toujours moins cher qu'un TCXO.