- OSCILLATEURS A QUARTZ


CIRCUIT EQUIVALENT D'UN QUARTZ

 

Le circuit équivalent d'un quartz est composé d"un circuit RLC série, le tout avec une capacité C0 en parallèle.

La capacité C1 est toujours trés faible de l'ordre du femto Farad. En conséquence l'inductance équivalente est trés forte.

Pour un quartz horloger 32.768 kHz

R1~20k, L1~4800H, C1~0.004pF, C0~3pF, Fs=32784, Fp=32812

Pour un quartz 10 MHz

R1~20, L1~100mH, C1~0.002pF, C0~3pF

 

En analysant les variations des parties réelles et imaginaires de l'impédance, on distingue 2 fréquences particulières :

Naturellement, Fp est supérieure à Fs, de l'ordre de 1/1000. Avant Fs et après Fp, le quartz se comporte comme une capacité, entre les deux c'est une inductance. La fréquence nominale du quartz est comprise entre Fp et Fs.

 

 Il y a donc deux façons de faire osciller un quartz :

simulation avec Cs = 1, 3, 10, 30, 100 pF

Dans le mode parallèle, en adjoingnant une capacité de 20 à 30 pF pour faire descendre la fréquence Fp vers la fréquence nominale.

simulation avec Cp = 1, 3, 10, 30, 100 pF

dans le mode série, avec un amplificateur non inverseur, en adjoingnant une capacité série pour faire remonter la fréquence Fs vers la fréquence nominale. Dans ce cas, la phase de l'amplificateur doit être très faible est plutôt négative.

C'est en particulier impossible à faire avec des portes logiques, qui ont un délai de propagation (2 inverseurs à 5nS, c'est 36° de déphasage à 10MHz) beaucoup trop grand et fortement instable.

Ce mode n'est donc utilisable qu'avec des amplificateurs à transistors.

 


OSCILLATEUR MODE PARALLELE

 

Le schéma étudié est aussi appelé oscillateur de Pierce.

Le quartz travaille en mode parallèle, chargé par la capacité résultante de la mise en série de Cl1 et Cl2.

La résistance Rs associée au condensateur Cl1 fait un filtre passe bas qui empeche le quartz de résonner sur ces harmoniques 3 ou 5, et d'autre part, qui installe un déphasage proche de 90°.

L'oscillateur est typiquement composé d'un inverseur qui a un retard de propagation, assimilable à un déphasage supplémentaire, de l'ordre de 10° à 20° à 10MHz

Ainsi, le quartz va osciller à un fréquence pour laquelle il installe un déphasage voisin de 80°

On aura intéret à privilégier une variation de phase raide, pour que la fréquence soit stable, avec un bruit de phase très faible, quelques soient les conditions externes, en particulier le retard amené par les inverseurs logiques de l'oscillateur.

 

 

Influence de la résistance de source Rs

simulation avec Rs = 100, 215, 464, 1000, 2150, 4640, 10000 avec Cl = 47pF

Plus Rs augmente, et plus la variation du déphasage autour du point -180° est brutale. On serait tenté d'augmenter Rs.

 

Malheureusement, plus Rs augmente et plus petit est le signal en sortie du quartz. Il faudra trouver un bon compromis.

Toutefois, pour un déphasage donné, la variation de fréquence liée à la variation de Rs est très faible, de l'ordre de 10 ppm.

 

Influence de la résistance des capacités Cl

simulation avec Cl = 10, 31, 100, 316, 1000 pF et Rs = 464

Plus Cl augmente, et plus la variation du déphasage autour du point -180° est raide.

Pour une phase donnée, on constate que la variation de fréquence est forte.

On a là le moyen de moduler la fréquence d'un oscillateur à quartz, il suffit de faire varier Cl avec des diodes varicaps.

 


REFERENCES