Comment choisir et utiliser efficacement un oscillateur

L'avènement des systèmes numériques synchrones a fait du simple oscillateur le cœur des systèmes numériques modernes basés sur microprocesseur. Les milliers d'applications ont favorisé le développement d'une gamme extrêmement variée de sources et de configurations d'oscillateurs utilisant des structures de résonateurs multiples.

Pourtant, le choix d'un oscillateur et sa bonne compréhension sont souvent négligés, en raison de l'existence d'une variété de résonateurs, de nombreux amplificateurs internes différents et de divers schémas de stabilisation de température. Tous ces facteurs ont des répercussions sur la taille, la précision, la stabilité et le coût du dispositif, mais aussi sur la façon dont il doit être utilisé dans une conception.

Cet article aidera les concepteurs à mieux comprendre le fonctionnement et la structure des oscillateurs, ainsi que leurs spécifications essentielles et la manière dont ils correspondent aux exigences de conception.

Il étudiera la forme d'onde de sortie, la précision et la stabilité de la fréquence, le bruit de phase, la gigue, la variation de charge et de température, le coût, ainsi que la meilleure façon d'utiliser les oscillateurs pour une conception réussie.

Principes fondamentaux des oscillateurs

Les oscillateurs sont des circuits électroniques qui génèrent des formes d'ondes à la fréquence désirée. Le schéma fonctionnel d'un oscillateur générique contient un amplificateur et une chaîne de rétroaction avec un réseau de rétroaction sélectif de fréquence (Figure 1). L'oscillation peut être déclenchée et maintenue si le gain de boucle est supérieur ou égal à l'unité à la fréquence d'oscillation désirée, tandis que le déphasage sur la boucle est égal à un multiple de 2p radians. Il s'agit d'une condition de rétroaction positive.

Le réseau dépendant de la fréquence peut être un circuit LC (inductance-condensateur) ou un circuit RC (résistance-condensateur), mais les oscillateurs de précision utilisent habituellement un résonateur. Le choix du type de résonateur est l'une des spécifications à prendre en compte, car chacun présente ses avantages et ses inconvénients.

Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un oscillateur basique comprenant un amplificateur avec un réseau sélectif de fréquence ou un résonateur dans une configuration de rétroaction positive. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les résonateurs les plus fréquemment utilisés sont les résonateurs à quartz, les filtres à ondes de surface (SAW) ou les microsystèmes électromécaniques (MEMS).

Lorsqu'un oscillateur de ce type est mis sous tension pour la première fois, le seul signal dans le circuit est le bruit. L'élément de bruit à une fréquence qui répond aux états de gain et de phase pour l'oscillation circule autour de la boucle du circuit avec une amplitude croissante en raison de la rétroaction positive du circuit. L'amplitude du signal augmente jusqu'à ce que celui-ci soit limité par les caractéristiques de l'amplificateur ou par l'unité de commande automatique de gain (CAG). La forme d'onde de sortie de l'oscillateur peut être contrôlée à ce stade, les choix classiques de forme d'onde étant les ondes de sortie sinusoïdales, sinusoïdales écrêtées ou logiques (« 0 » ou « 1 »). Si des sorties logiques sont choisies, une famille logique (HCMOS, TTL, ECL, LVDS…) doit également être sélectionnée.

Les sorties sinusoïdales sont principalement utilisées pour la génération de signaux d'oscillateur local ou de porteuse, dans les applications liées à la communication où la pureté spectrale est une préoccupation essentielle. La forme d'onde sinusoïdale n'a une puissance significative qu'à la fréquence fondamentale et peu ou pas de puissance aux fréquences harmoniques.

La spécification clé pour les oscillateurs est la stabilité de fréquence, qui définit la capacité de l'oscillateur à maintenir sa fréquence. Il existe une autre spécification associée, le vieillissement, qui précise la dérive de la fréquence de l'oscillateur après une longue période, généralement un an. Dès lors que la vitesse des applications augmente, la variation à court terme de la phase de l'oscillateur devient un problème important. Cette variation à court terme de la phase est décrite comme le bruit de phase de l'oscillateur. Le bruit de phase est une spécification du domaine fréquentiel. La spécification du domaine temporel équivalente est la gigue de phase ou l'erreur d'intervalle de temps.

Résonateurs

Le réseau de rétroaction dans l'oscillateur basique peut être constitué de plusieurs structures de résonance. La plus commune est le résonateur à quartz. Les résonateurs à quartz utilisent l'effet piézoélectrique. Une petite tension appliquée à travers le quartz entraîne sa déformation et une force appliquée sur le quartz produit une charge électrique. Cette série d'échanges électromécaniques constitue la base d'un oscillateur très stable. Cet effet produit des oscillations à des fréquences spécifiques en fonction du type de quartz, de l'orientation géométrique à laquelle le quartz est découpé et de ses dimensions.

Les quartz sont maintenus entre deux électrodes qui forment l'entrée et la sortie du résonateur à quartz. Dans ces conditions, le quartz agit comme un circuit LC très sélectif (Figure 2). Notez que le quartz dans son support est représenté par un circuit RLC en série, qui représente la fréquence de résonance série dominée par les composants L_S et C_S du modèle. Le condensateur connecté en parallèle représente la capacité du support et les câbles associés. La capacité C_P parallèle réagit avec l'inductance L_S série, ce qui entraîne une fréquence de résonance parallèle. En fonctionnement, la résonance série domine le fonctionnement du résonateur. Les fréquences fondamentales du quartz varient du kilohertz (kHz) à environ 200 mégahertz (MHz).

Figure 2 : Modèle de circuit équivalent pour un résonateur à quartz. Les composants L_S et C_S du modèle déterminent la fréquence de résonance série, tandis que L_S, C_S et C_P déterminent la résonance parallèle. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Il existe également un autre résonateur classique : le dispositif à ondes de surface (SAW) (Figure 3).

Figure 3 : Un résonateur/filtre SAW utilise des transducteurs interdigités montés sur un substrat piézoélectrique pour générer des ondes acoustiques de surface dans l'espace entre les transducteurs, produisant une réponse dépendant de la fréquence à la sortie. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le filtre SAW est un dispositif sélectif de fréquence qui utilise une onde acoustique de surface propagée le long de la surface d'un substrat élastique. Les ondes acoustiques de surface sont générées et détectées à l'aide de transducteurs interdigités (IDT) formés par des chemins conducteurs sur le substrat, comme le montre la Figure ci-dessus. Les résonateurs/filtres SAW fonctionnent à une fréquence comprise entre 10 MHz et 2 gigahertz (GHz). La fréquence dépend de la dimension des éléments IDT et des caractéristiques du matériau du substrat. Les modèles de circuit pour un dispositif SAW sont les mêmes que pour le résonateur à quartz. Les résonateurs SAW peuvent être fabriqués de façon économique par photolithographie dans des petits boîtiers à faible coût. Ces oscillateurs sont désignés sous le nom d'oscillateurs à ondes de surface (SAW) ou SO.

La dernière technologie de résonateur abordée dans cet article est basée sur des microsystèmes électromécaniques (MEMS). Les MEMS utilisent des procédés standard de fabrication de semi-conducteurs pour produire des éléments mécaniques miniatures. La taille de ces dispositifs peut varier de quelques microns à plusieurs millimètres. Les résonateurs semblables aux diapasons haute fréquence sont conçus pour vibrer sous excitation électrostatique. Les structures de base de ces résonateurs sont combinées à un circuit intégré d'oscillateur/de contrôleur programmable (Figure 4).

Figure 4 : Un module d'oscillateur MEMS est combiné à une structure mécanique MEMS avec un circuit intégré d'oscillateur/de contrôleur dans un seul boîtier. (Source de l'image : SiTime)

L'oscillateur/le circuit excite la structure MEMS et alimente sa sortie avec une boucle à verrouillage de phase (PLL) fraction-N qui multiplie la fréquence de sortie de l'appareil MEMS par un facteur « N » programmable. La mémoire OTP (programmable une fois) stocke les paramètres de configuration du module. La compensation de température est atteinte en ajustant la fréquence de sortie dans la PLL. La PLL peut également être programmée, offrant à l'oscillateur une sortie de fréquence contrôlée numériquement.

Le plus grand avantage de l'oscillateur MEMS est son immunité contre les chocs mécaniques et les vibrations. Il s'agit d'un facteur important pour les applications mobiles comme les téléphones portables, les caméras et les montres.

Types de circuit des oscillateurs

La topologie de circuit des oscillateurs modulaires a été développée sur plusieurs décennies et de nombreuses technologies sont désormais disponibles. Dans la majorité des cas, les circuits ont été modifiés pour améliorer la précision et la stabilité de la fréquence de sortie des oscillateurs. Parmi les exemples étudiés dans le paragraphe précédent, on peut citer les oscillateurs MEMS et SAW sans quartz. Les techniques appliquées aux oscillateurs à quartz peuvent également être appliquées à tout type d'oscillateurs. Ces oscillateurs sont tous répertoriés pour fonctionner avec une capacité de charge de 15 picofarads (pF). Les variations de la capacité de charge affectent la fréquence de fonctionnement.

La base de comparaison pour ces topologies est l'oscillateur à quartz nu (XO) (Figure 5). Cet exemple est implémenté à l'aide de portes logiques et comprend une diode varicap pour permettre le réglage. Ces oscillateurs simples affichent une stabilité de fréquence de l'ordre de 20 à 100 parties par millions (ppm).

Figure 5 : Un oscillateur à quartz basique implémenté à l'aide d'onduleurs logiques inclut un dimensionnement pour le contrôle de la tension via une diode varicap en série avec le quartz. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'ASV-10.000MHZ-LCS-T d'Abracon est un oscillateur d'horloge à quartz à montage en surface. Il possède une sortie numérique avec un niveau logique HCMOS. Les oscillateurs de ce type ont l'avantage principal d'être peu coûteux. Sa stabilité de fréquence est de ±50 ppm, mais d'autres dispositifs de cette famille d'oscillateurs ont des spécifications de stabilité comprises entre 20 et 100 ppm. La source principale de dérive de fréquence est le changement de température. Le vieillissement du quartz ou le changement de fréquence avec le temps constitue une autre source. Les taux de vieillissement sont proportionnels à la stabilité de base. Dans le cas de cet oscillateur, le taux de vieillissement est de ±5 ppm par an. Les oscillateurs à quartz s'adaptent aux applications qui ne nécessitent pas de stabilité de fréquence élevée. Ces applications incluent une source d'horloge pour un microprocesseur.

L'oscillateur à quartz compensé en température, ou TCXO, ajoute des éléments de circuit pour compenser les variations liées à la température du résonateur à quartz et de l'amplificateur (Figure 6).

Figure 6 : Le résonateur à quartz et l'amplificateur étant sensibles à la température, le TCXO est également doté d'un capteur de température et d'un réseau de compensation de température pour corriger la dérive de fréquence. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Un capteur de température, tel qu'une thermistance, est utilisé pour développer une tension de correction, appliquée grâce à un réseau adéquat sur une diode varicap variable en tension, placée en série avec le quartz, afin de contrôler la fréquence. Cela fonctionne en modifiant la charge capacitive de l'oscillateur à quartz. Une stabilité de fréquence vingt fois supérieure, ou plus, peut être atteinte avec la compensation de température.

L'ASTX-H12-10.000MHZ-T d'Abracon est un TCXO classique avec un niveau de sortie HCMOS et une spécification de stabilité de fréquence de ±2 ppm. Le coût est près de trois fois supérieur à celui d'un oscillateur à quartz basique.

Une autre approche de la stabilisation de la température consiste à placer le module d'oscillateur dans une enceinte à température contrôlée (Figure 7). Cette topologie est appelée oscillateur à quartz thermostaté (OCXO).

Figure 7 : L'OCXO stabilise la température de l'oscillateur en le plaçant dans une enceinte dont la température est définie pour correspondre à la température à laquelle la courbe de fréquence par rapport à la température du quartz a une pente nulle. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'oscillateur à quartz est placé dans une enceinte à température contrôlée. La température de l'enceinte est définie sur la valeur à laquelle la courbe de fréquence par rapport à la température du quartz a une pente nulle, pour que les petits changements de température aient un impact faible ou nul sur la fréquence de l'oscillateur. L'OCXO peut améliorer de plus de mille fois la stabilité de l'oscillateur. Ce type d'oscillateur est requis pour les applications exigeant une synchronisation précise, comme les systèmes de navigation ou les communications de données série haute vitesse.

Le DOC050F-010.0M de Connor-Winfield est un OCXO avec des niveaux de sortie LVCMOS. Il affiche une stabilité de fréquence spécifiée de ±0,05 ppm. Ces performances améliorées vont de pair avec une consommation énergétique plus élevée en raison de l'enceinte, de la taille plus importante et du coût (de 30 à 40 fois celui d'un oscillateur à quartz) par rapport à un oscillateur à quartz basique.

L'oscillateur MEMS évoqué précédemment est un exemple d'oscillateur contrôlé numériquement (DCXO).

Le SIT3907AC-23-18NH-12.000000X de SiTime est un DCXO basé MEMS avec une sortie logique LVCMOS et une stabilité de fréquence de 10 ppm. Il permet de programmer un changement de fréquence à l'aide de sa PLL interne avec des intervalles d'entraînement de ±25 à ±1600 ppm.

Un oscillateur à quartz contrôlé par micro-ordinateur (MCXO) affiche une stabilité de fréquence égale à celle d'un OCXO, avec un boîtier plus petit et des exigences de puissance plus faibles. Les MCXO stabilisent leur fréquence de sortie à l'aide de l'une de ces deux méthodes. La première consiste à faire fonctionner l'oscillateur source à une fréquence supérieure à la fréquence de sortie désirée et à utiliser la suppression des impulsions pour atteindre la fréquence de sortie désirée. La seconde méthode consiste à faire fonctionner l'oscillateur source interne à une fréquence légèrement inférieure à la fréquence de sortie désirée, et à ajouter une fréquence de correction générée par un synthétiseur numérique direct (DDS) interne à la fréquence de sortie source.

Le LFMCXO064078BULK de IQD Frequency Products est un MCXO compatible HCMOS avec une stabilité de fréquence de 0,05 ppm. La gamme de produits inclut des oscillateurs à des fréquences fixes clés comprises entre 10 et 50 MHz. Son volume physique est de seulement 88 mm³ et il ne requiert que 10 milliampères (mA) à 3,3 volts, pour une consommation énergétique totale de 33 milliwatts (mW).

Certaines utilisations requièrent un ajustement de la fréquence de l'oscillateur. Cela peut être fait numériquement ou par contrôle analogique. Le contrôle analogique est effectué à l'aide d'un oscillateur à quartz commandé en tension (VCXO). La Figure 5 montre comment un oscillateur peut être réglé en appliquant une tension à la diode varicap en série avec le résonateur et en changeant sa fréquence par modification de la capacité de charge. Il s'agit d'un principe fondamental du VCXO.

Le XLH53V010.000000I d'Integrated Device Technology Inc. est un exemple de VCXO fournissant des niveaux de sortie HCMOS et une stabilité de fréquence de ±50 ppm. L'intervalle d'entraînement d'un VCXO indique le décalage de fréquence maximum qui peut être atteint en variant la tension de commande. Cet oscillateur a un intervalle d'entraînement de ±50 ppm. Pour la fréquence de sortie nominale de 10 MHz, l'intervalle d'entraînement est de ±500 Hz.

L'oscillateur SAW décrit dans la section sur les résonateurs est un autre oscillateur à bas coût caractérisé par sa haute fiabilité. Le XG-1000CA 100.0000M-EBL3 d'EPSON est un exemple d'oscillateur SAW. Ces dispositifs sont utilisés dans des applications à fréquence fixe comme les émetteurs de télécommande. Ils offrent des spécifications de gigue et de stabilité correctes, mais leur plus grand avantage est leur fiabilité.

Adapter les oscillateurs à l'utilisation

En général, les applications qui utilisent des oscillateurs comme base de temps de précision nécessitent des dispositifs avec une meilleure stabilité de fréquence. De ce fait, les utilisations liées aux GPS sont particulièrement adaptées aux oscillateurs OCXO ou MCXO. Lorsque l'isolation contre les chocs et les vibrations est requise, l'oscillateur SO est le plus adapté à l'application. Le cadencement des interfaces série haute vitesse requiert une faible gigue de temporisation. Le coût est un facteur dans toutes les conceptions et varie généralement avec le degré de stabilité de fréquence offert. D'autres facteurs tels que des exigences de taille ou de puissance dépendent du dispositif et de la technologie utilisés. Cela peut nécessiter des compromis. Le Tableau 1 propose une comparaison des principales spécifications des oscillateurs cités dans cet article, pour mettre en évidence les fonctionnalités et les avantages de chacun.

Notes :

1. Estimation calculée à partir du bruit de phase
2. État au démarrage/en régime permanent

Tableau 1 : Paramètres typiques permettant de comparer différents oscillateurs. Chaque oscillateur est choisi en fonction des exigences de conception et d'autres facteurs tels que le coût et la disponibilité au moment de la conception. (Source du tableau : DigiKey)

Les oscillateurs du tableau sont classés par stabilité de fréquence. Notez que des fréquences de sortie spécifiques ont été utilisées dans cet article, mais que tous ces oscillateurs offrent une plage de fréquences de sortie dans chaque série de modèles.

Conclusion

Une bonne compréhension de la construction et du fonctionnement des oscillateurs peut grandement aider les concepteurs à identifier celui qui correspond le mieux aux exigences de leur application. Comme toujours, le choix d'un oscillateur à utiliser pour un projet de conception impliquera des compromis techniques en termes de coûts, de puissance, d'espace, de stabilité et de précision, mais la variété d'oscillateurs désormais disponibles minimise ces compromis avec des solutions prêtes à l'emploi.